В рубрику "Спутниковая связь" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
Валентин
АлександрТехнологии VSAT широко применяются достаточно давно. Существуют многочисленные подходы к созданию сетей VSAT с использованием различных сетевых топологий и технологий формирования спутниковых каналов на физическом и канальном уровнях [1, 2]. Сегодня особый интерес связан с развитием технологий VSAT применительно к использованию многолучевых спутников HTS [3]. Пропускная способность целевого спутника HTS уже сегодня достигла более сотни Гбит/c. Заявлено, что пропускная способность новых спутников HTS будет достигать 0,5–1 Тбит/с [3, 4]. При этом себестоимость передачи единицы информации сегодня соизмерима с ВОЛС, а стоимость абонентской станции VSAT составляет $300–400. К 2020 г. прогнозируется снижение цены VSAT для работы в сетях HTS до $100 (данные компании SatixFy Ltd).
Спрос на услуги сетей на основе спутников HTS растет, но этот рост не является достаточным для утилизации спутникового ресурса. Рост спроса на услуги в основном связан с развитием рынка в Северной Америке (в основном в США). Например, в странах ЕС и в России рост спроса в абсолютном измерении незначительный. Однако идет постоянный поиск более совершенных технических решений, в том числе и решений, связанных с интеграцией спутниковых и наземных каналов [4]. Такая активность поиска новых решений связана с тем, что общий мировой объем ресурса спутников HTS сегодня значительно (в разы) превышает спрос [5]. На рис. 1 представлены данные компании Euroconsult. Такая ситуация прогнозируется в исследованиях и других аналитических компаний.
В период 2015–2024 гг. прогнозируется увеличение объема услуг в сетях HTS с $1,1 млрд до $4,9 млрд (данные Eurocosult).
Считается, что наиболее перспективными вариантами утилизации спутникового ресурса в сетях HTS являются организация транспортных спутниковых каналов (Backhaul) для подключения удаленных базовых станций сотовых сетей (VSAT + 3G/4G) [6] и использование VSAT-станций для создания коллективных точек доступа Wi-Fi (VSAT + Wi-Fi). Причем вариант VSAT + Wi-Fi (в отличие от VSAT + 3G/4G) позволяет спутниковому оператору самостоятельно предоставлять услуги в своей сети, если решены проблемы тарификации абонентов.
Судя по результатам аналитических отчетов компании NSR по рынку Back-haul для фиксированного применения (морские, авиационные и сухопутные подвижные средства не учитываются), можно ожидать потребность в 33 тыс. подключений к 2023 г. (увеличение почти в 3 раза по сравнению с 2013 г.). Примерно такой же объем подключений прогнозируется для обеспечения услуг на подвижных средствах. Примерно 49% подключений планируется с использованием ресурсов спутников HTS. Наиболее перспективными регионами для использования точек коллективного доступа считаются страны Азии.
Однако, несмотря на то, что себестоимость ресурса спутников HTS и цена абонентских станций VSAT в перспективе продолжат снижаться, следует отметить следующие проблемы:
Кроме того, проблемой является обеспечение быстрой загрузки (утилизации ресурса) спутника HTS, что непосредственно связано с активностью спроса на его ресурс.
Кроме традиционных решений организации коллективного доступа, можно рассмотреть и нетрадиционное решение с использованием технологии LTE в режиме FDD. В этом случае предполагается прямая ретрансляция OFDM и SC-FDMA сигналов LTE через спутник. Естественно, что использование сигналов OFDM для ретрансляции по спутниковым каналам является неоптимальным решением с точки зрения достигаемой спектральной эффективности. Более того, стандарты LTE предполагают, что задержка распространения сигнала должна быть меньше на порядок, чем в спутниковых радиолиниях на основе геостационарных спутников.
Однако возможность применения сигналов OFDM и адаптация технологии LTE активно рассматривается применительно к использованию систем подвижной спутниковой службы [9–14].
В данном случае рассматривается вариант использования технологии LTE в системах HTS фиксированной спутниковой службы. Достаточно очевидно, что при успешной реализации такого решения можно расширить круг потенциальных абонентов в спутниковой сети, т.е. увеличить утилизацию ресурса спутников HTS. Можно предположить, что величина CAPEX наземного сегмента системы VSAT<E и себестоимость подключения абонента могут быть заметно снижены по отношению к традиционным решениям VSAT.
Для оценки технико-экономических параметров такого решения следует предварительно оценить технико-экономические параметры существующих традиционных решений VSAT в системах на основе спутников HTS.
В составе сети, создаваемой на основе спутников HTS, обычно используются несколько центральных станций (в перспективных проектах несколько десятков). Центральная станция сети представляет собой шлюз, оснащенный антенной 5–9 м, который обеспечивает выход на узлы сопряжения с Интернетом (POP) для сопряжения спутниковой сети с внешними наземными сетями (см. рис. 2). Обычно центральная станция поддерживает работу нескольких лучей спутника HTS (от 4 до 8), которые на постоянной основе закреплены за конкретной центральной станцией. Сегмент ЦС существенно влияет на CAPEX системы. В табл. 1 представлены данные, позволяющие оценить стоимость ЦС в сети на основе HTS.
Эти данные являются примерными (по данным новостных сообщений), но все же отражают ценовые параметры ЦС. В перспективе предполагается, что цены на оборудование будут снижаться (примерно 20% за пять лет).
Видимо, для дальнейшего анализа и сравнения вариантов следует принять примерно $4 тыс., отнесенные к полосе частот 1 МГц в прямом канале при оценке нормированной стоимости ЦС (см. табл. 2).
Другим важным показателем может служить значение CAPEX, отнесенное к одному абоненту. Для оценки этого показателя следует воспользоваться таким понятием, как коэффициент переподписки [7, 8]. В данном случае для конкретности примем коэффициент переподписки = 1:5. Приняв в качестве исходного значения полосу частот 1 МГц, получим, что для принятого коэффициента переподписки в среднем на каждого подписчика (зарегистрированного абонента) будет приходиться 200 кГц (1 МГц/5 абонентов). Однако с вероятностью, близкой к единице, каждый из абонентов массовой сети будет иметь возможность использовать скорость канала, которая может быть достигнута в полосе 1 МГц (например, при 16 APSK ¾ примерно 3 Мбит/с).
VSAT<E и VSAT&Wi-Fi для малых населенных пунктов
При коллективном подключении с использованием VSAT + Wi-Fi и VSAT + LTE оценить однозначно затраты на подключение абонента невозможно. В табл. 2 представлены усредненные ценовые значения для оценки увеличения нормированных затрат на подключение конечного абонента. В данном случае ценовые параметры подключения с использованием Wi-Fi приняты на основе данных пилотного проекта программы BDUK (национальная программа предоставления ШПД в Велик обр и тании (https://www.gov.uk/guidance/broad-band-delivery-uk) ). Хотя эти оценки в программе BDUK, по-видимому, учитывают абонентские устройства и обеспечение скорости абоненту минимум 2 Мбит/с, но они являются завышенными по отношению к обычным коммерческим оценкам, которые ниже примерно в 2 раза.
Для варианта использования базовой станции сети LTE ценовые параметры также очень разнятся. В табл. 2 представлен средний интервал ценовых значений базовой станции в точке коллективного доступа, обеспечивающей поддержку примерно 100 одновременных соединений абонентов. Стоимость базовой станции указана с учетом затрат на оборудование, лицензии и инсталляцию оборудования (стоимость целевого оборудования eNodeB составляет примерно 60%). Если принять, как и для ЦС, коэффициент переподписки 1:5, то в полосе 20 МГц нужно поддерживать до 100 одновременных соединений.
Как следует из данных табл. 2, для решений, предусматривающих коллективный доступ абонентов с использование Wi-Fi или LTE, затраты, приведенные к одному абоненту, близки между собой (можно предположить, что с использованием LTE затраты немного выше). Для усредненных оценок с учетом того, что подписчиков будет не примерно 50% от потенциально возможного количества, следует принять завышенное значение затрат $250 на одного абонента при организации точки доступа с учетом коэффициента переподписки ξ = 0,2. В общем случае затраты на подключение одного абонента зависят от принятого (назначенного исходя из анализа статистики) значения ξ.
Совокупные затраты на абонента можно оценить как сумму затрат, представленных на рис. 3a и 3в. Причем значение ξg не обязательно равно ξv. Однако при организации коллективного доступа целесообразно придерживаться соотношения ξg > ξv.
Следует напомнить, что в данном случае удельные затраты на подключение абонента не учитывают затраты на создание космического сегмента.
Кроме отмеченных выше решений организации доступа абонентов с использованием спутниковых каналов Backhaul, имеется возможность непосредственно передавать абонентские сигналы LTE через спутник (данные ITU-R M.2047-0), т.е. использовать спутниковые каналы Forvard Haul. Примером технической реализации является сеть LightSquard на основе геостационарного многолучевого спутника Sky Terra 1 (в связи с конфликтом ЭМС с системой GPS эксплуатация приостановлена). Техническое решение задачи организации наземного сегмента в общем виде раскрыто в нескольких официальных технических документах применительно к системам подвижной спутниковой связи [9, 13]. Как следует из этих документов, многие функциональные процедуры стандартов LTE имеют преемственность с использованием LTE-технологии для применения спутниковых каналов Forvard Haul. Все проблемы сопряжены с высокой задержкой распространения сигналов и принципиальной многосигнальностью сигналов ОFDM.
Проблемы многосигнального режима и связанные с этим помехи при передаче OFDM в простейшем случае можно минимизировать за счет обеспечения линейности передающего тракта бортовой аппаратуры спутника. Хотя существуют и многочисленные исследования, в которых предлагаются более изощренные методы [10–12]. Парирование высокой задержки в спутниковых каналах требует доработки программного обеспечения ЦС и, главное, программного обеспечения абонентских устройств, которые используются в сети LTE. В этой связи следует отметить, что эти решения сформулированы для подвижных спутниковых сетей, которые работают в диапазонах L и S [13]. Но все эти решения приводят к тому, что требуются уникальная ЦС и двухмодовые абонентские устройства. Такие устройства могут работать в наземной сотовой сети, а при необходимости переключаться для работы в спутниковой сети MSS (абонентские спутниковые терминалы в сети LightSquard созданы на основе чипсета MDM9600 компании Qualcomm). Сетевые решения базируются на группе стандартов BMSat, которые сегодня разрабатывает China Communications Standards Association (CCSA) [14]. Следует особо отметить, что стандарты BMSat [14] построены на основе стандартов 3GPP с максимальной преемственностью технологии LTE.
Спутники типа HTS относятся к службе FSS. Отличие от многолучевого геостационарного спутника MSS заключается в том, что используется диапазон частот Ku или Ka, а ширина луча существенно меньше (в пределах 0,7–0,3 град.).
Соответственно, для работы абонентских устройств через спутник HTS необходимо устройство, которое сможет линейно преобразовать сигнал LTE из стандартного диапазона (диапазонов) LTE в диапазон работы спутника HTS (см. рис. 4) и в состоянии передать и принять информацию в диапазоне работы абонентских лучей HTS (см. рис. 5). Это устройство подобно VSAT-станции, но в качестве "модема" в такой станции используется абонентский терминал LTE. Причем этот "модем" сопряжен с радиотехнической частью станции по эфиру. Для этого могут быть использованы простейшие всенаправленные антенны, а ЭИИМ достаточно обеспечить заведомо менее 0 дБВт, как это предусмотрено решением ГКРЧ (Приложение № 1 к решению ГКРЧ от 11 декабря 2013 г. № 13-22-06) для ретрансляторов LTE, то есть создается зона очень малого радиуса.
Спутник HTS сопряжен с ЦС, которая имеет выход в любые внешние сети. Центральная станция обычной сети VSAT является уникальной, т.е. абонентское оборудование может быть использовано исключительно того производителя, к которому относится оборудование центральной станции. Но возможно и иное решение, которое предусматривает создание центральной станции на основе нескольких eNodeB. В радиотехнической части центральной станции сигналы eNodeB переносятся в диапазон фидерной линии (фидерного луча) спутника HTS. Если при формировании сигнала LTE используется полоса 20 МГц, то для работы в одном луче спутника HTS с полосой 250 МГц можно разместить 10–11 станций eNodeB. Причем каждая eNodeB обслуживает абонентов, размещенных в пределах локальной зоны, определяемой условием максимальной разности наклонных дальностей для абонентов в режиме FDD не более 100 км с произвольным центром внутри рабочей зоны луча HTS (условие минимизации задержки абонентских сигналов в стандартах 3GPP для режима Preamble Format 3).
Кроме того, очевидно, что для ретрансляции сигналов OFDM следует учесть высокие требования к линейности усилителей. Обычный режим ретрансляции прямых каналов (цифровой поток TDM) на спутнике HTS близок к насыщению. В данном случае при ретрансляции сигналов OFDM необходимо установить OBO примерно - 7...-8 дБ от уровня насыщения (достигается уровень NPR не хуже 20 дБ, http://www.lintech.com/PDF/hpa.pdf). Соответственно, энергетика в абонентских лучах на линии КА-UE в данном случае ниже минимум на 6 дБ. Если принять типичное значение ЭИИМ луча спутника HTS примерно 65 дБВт, то при работе на абонентскую антенну 0,7 м может быть достигнута скорость потока в прямом канале 35–40 Мбит/ (полоса 20 МГц) при хороших погодных условиях.
Если принять коэффициент переподписки ξg = 0,2, то скорость, доступная абоненту, будет меньше примерно в 1,5 раза по сравнению с использованием стандартной схемы сети VSAT. В результате с вероятностью, близкой к единице, средняя скорость для абонента в прямом канале составит более 2Мбит/с, а пиковая не ниже 35Мбит/с.
Если предположить, что требуется создать центральную станцию, поддерживающую 6 лучей по 250 МГц каждый, то потребуется 66 eNodeB. Принимая эквивалентную стоимость eNode примерно $30 тыс. (с учетом всех затрат и инсталляции) и примерно $1 млн на радиотехническое оборудование, получится, что при коэффициенте переподписки ξg = 0,2 затраты на подключение одного абонента составят примерно $450. Это значение примерно в 2 раза ниже, чем при использовании типовой центральной станции в сети на основе HTS. Сравнение с типичной центральной станцией иллюстрируется на рис. 3а в зависимости от ξg.
Естественно, что абонентская станция (см. рис. 4) по себестоимости значительно ниже любой обычной станции VSAT примерно в 1,5–2 раза. Причем эта абонентская станция не связана с обработкой сигнала, т.е. не замкнута на конкретного производителя.
В стандартах LTE 3GPP (rel. 9) представлено описание режима вещания eMBMS (evolved Multicast/Broadcast Multimedia Services) в сотовых сетях LTE. Учитывая ограниченность частотного ресурса в сетях LTE, этот режим, по мнению многих операторов, не является коммерчески привлекательным. Тестирование показало техническую возможность его реализации еще в 2006–2007 гг., но до настоящего времени широкого распространения режим вещания в сетях LTE не получил. Но работы в этом направлении активно идут по всему миру.
В данном случае при использовании спутниковой сети LTE, реализуемой на основе многолучевого спутника HTS, режим вещания может оказаться более привлекательным. Естественно, что при многолучевой спутниковой технологии вещание идентичных пакетов во всех лучах решение неэффективное. Но имеется возможность разделить пакеты вещания и контент по регионам. Кроме того, как уже отмечалось выше (см. рис. 1), недостатка в ресурсе спутников HTS нет.
Использование спутниковой технологии дает преимущества за счет того, что не расходуется дорогой частотный ресурс сотовой сети LTE. При этом абонентские устройства, способные работать в режиме eMBMS в сотовой сети LTE, по-видимому, требуют минимальной доработки ПО с целью парирования повышенной задержки в спутниковом канале.
Представленный выше анализ использования технологии Backhaul в сетях на основе спутников HTS показывает (см. рис. 3b), что достижима себестоимость подключения абонентов в разы более низкая, чем с использованием технологий ВОЛС [5].
Имеется возможность дальнейшего снижения этого показателя за счет интеграции спутниковых и наземных сотовых сетей. Так, применение технологии LTE для создания спутниковой сети с использованием каналов Forvard Haul позволяет, как минимум, снизить себестоимость подключения абонентов в 2 раза (см. рис. 3a). Но в этом случае оператор спутниковой сети должен делегировать часть своих полномочий и своих доходов оператору сотовой сети. Однако это решение расширяет потенциальный круг абонентов спутникового ШПД, а сотовым операторам позволяет обеспечить присутствие в тех регионах, которые сегодня для них являются коммерчески невыгодными.
Следует отметить, что существенным достоинством спутниковой сети, использующей технологию LTE, является ее открытость (независимость от производителей оборудования VSAT и уникальности технологий VSAT).
В данном случае можно говорить об импортобезопасности, поскольку при поставках элементов системы имеется очень широкий круг производителей и поставщиков.
По прогнозам аналитических агентств, число абонентских устройств в сетях LTE уже в 2020 г. составит 2,0–2,5 млрд. Если в спутниковых сетях LTE будет необходимость хотя бы у 0,1% абонентов, то это составит 2,0–2,5 млн, что больше, чем реально работающих VSAT-станций во всем мире. Соответственно, сегмент VSAT может уже претендовать на долю массового рынка LTE.
Литература
Авторы выражают благодарность руководству ФГУП "Космическая связь" за поддержку исследований возможности реализации технологии VSAT & LTE.
Термин HTS и упоминание гигантских пропускных способностей указывают на диапазон Ка. Особенность этого диапазона в реалиях рынка – ставка на VNO. Виртуальны й о пер атор получает базовый набор функционала и ограниченные возможности спутниковых модемов и всей "сети" в целом. Строительств о СКД в таких условиях возможно, но сопряжено со многими сложностями, например:
Ограничение числа сессий не позволяет подключать к модему большое число абонентов. Решения с последней милей на Wi-Fi из-за ограничений стандарта очень затрудняет строительство независимых СКД на нескольких спутниковых терминалах на ограниченной территории. Сложение каналов с нескольких VSAT для обеспечения работы одной СКД приводит к серьезным проблемам организации биллинга и авторизации клиентов. Решить эти проблемы мешают упомянутые особенности наземной сети VNO.
Использование каналов VSAT ставит под вопрос LTE большими задержками передачи данных. Далее: сложно будет навязать абонентам применение мобильных устройств (основных СРЕ для LTE) и не давать возможности этим устройствам совершать звонки по мобильной связи. Пойдут ли на это сотовые операторы? Передать потоковый голос нормального качества через VSAT можно только при стабилизации джиттера и гарантии полосы именно под голос, который нужно еще и отделить от трафика данных. На практике современные системы в Ка всего этого не умеют. Однако в не новых, но еще актуальных системах в Ku эти проблемы решены. Да, в Ku гораздо меньше свободных емкостей на спутниках, и стоимость услуг выше. Зато Ku лишен многих "детских" болезней Ка. В последнее время в России набирает популярность услуга по передаче голоса и трафика данных по технологии 3G с использованием связки "VSAT + фемтосота" в малонаселенных или удаленных от инфраструктуры местах. СКД на большое количество активных абонентов, использующих последнюю милю Wi-Fi, успешно строятся уже несколько лет. Эти же услуги по отдельности или вместе можно предоставлять и, например, на движущихся морских или речных судах.
Опубликовано: Журнал "Технологии и средства связи" #4, 2016
Посещений: 5022
Статьи по теме
Автор
| |||
Автор
| |||
В рубрику "Спутниковая связь" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
