Спутниковая связь: оптимизация на всех уровнях

Все многообразие технологий для повышения эффективности использования спутникового ресурса достаточно логично раскладывается по уровням модели OSI. Начнем их рассмотрение снизу, то есть с физического уровня, на котором осуществляются кодирование информации и модуляция сигнала, передаваемого через спутник.

DVB-S2 И ACM

Важной вехой для спутниковой связи стала разработка в 2003–2004 годах стандарта DVB-S2 для видеовещания, интерактивных услуг и других широкополосных спутниковых приложений. Он сильно отличается от стандарта на системы первого поколения (DVB-S). Так, DVBS2 предполагает использование более эффективного помехозащищающего кодирования: внутреннего кода с малой плотностью проверок на четность (Low Density Parity Check, LDPC) и внешнего кода Боуза – Чоудхури – Хоквингема (Bose-Chaudhuri-Hocquenghem, BCH).

Эта схема кодирования позволяет максимально приблизиться к пределу Шеннона для каналов со случайным характером ошибок («белым», или гауссовским, шумом). Кроме того, в DVB-S2 предусматривается расширенное число коэффициентов кодирования (FEC 1/4, 1/3, 2/5, 1/2, 3/5, 2/3, 3/4, 4/5, 5/6, 8/9 и 9/10) при различных видах модуляции (QPSK, 8PSK, 16APSK и 32APSK). Напомним, что коэффициент кодирования определяет соотношение между числом информационных битов и общим числом битов — с учетом избыточных, используемых для прямой коррекции ошибок (FEC). Например, коэффициент кодирования 9/10 означает, что на девять информационных битов приходится один избыточный.

Рисунок 1. Пример использования режима адаптивных кодирования и модуляции (ACM).

Изюминкой DVB-S2, которая привлекает в первую очередь операторов сетей VSAT, стала технология адаптивных кодирования и модуляции (ACM). Она позволяет динамически менять вид модуляции и коэффициент кодирования (эта пара называется модкодовой конструкцией, или модкодом) для каждого отдельного кадра прямого канала в зависимости от условий распространения сигнала при сохранении постоянной символьной скорости. В режиме ACM удаленный терминал постоянно оценивает качество сигнала для определения оптимального модкода. Если центральная земная станция (ЦЗС) использует неоптимальный модкод или условия распространения сигнала в данной местности изменились (например, дождь закончился), терминал «сообщает» ей об этом, и она переходит на другой модкод. Такой алгоритм позволяет при солнечном небе использовать более эффективную модуляцию и более высокий коэффициент кодирования, чем при дожде (см. Рисунок 1), а значит, обеспечить более высокую информационную скорость.

«Благодаря очевидной эффективности технологии DVB-S2 с режимом ACM этот стандарт, создававшийся изначально как развитие «телевизионного» стандарта DVB-S, используется также для организации каналов типа SCPC и сетей VSAT. И если для телевидения режим ACM не имеет смысла, то для сетей VSAT он представляет очевидный интерес, и сегодня практически все производители систем с центральной земной станцией используют стандарт DVB-S2 с этим режимом», — объясняет Александр Рудаков, руководитель отдела разработки системных и технических решений компании «Московский телепорт» (Inmarsat-MT).

Внедрение технологии DVB-S2 началось в России еще в 2005 году. Как отмечает Юрий Евдокимов, генеральный директор «Сайрус Системс Инжиниринг», сдерживающим фактором внедрения этой технологии было то обстоятельство, что требовалась замена сотен и тысяч уже установленных терминалов DVB-S. Поэтому перед тем, как принять решение о такой замене, операторы сравнивали соответствующие затраты с той выгодой, которую дает технология нового поколения. Сегодня во всех новых инсталляциях используются системы DVB-S2.

Перевод части абонентских станций оператора с потока S на S2 позволяет высвободить частотный ресурс и дает возможность увеличить пропускную способность каналов некоторым группам станций. По словам Михаила Бушина, главного специалиста – администратора спутниковых сетей «РуСат», внедрив решение DVB-S2, компания «РуСат» смогла увеличить пропускную способность стандартного спутникового транспондера (с шириной полосы частот 36 МГц) с 45 до более 60 Мбит/с, что очень актуально в условиях дефицита спутникового ресурса.

Базовые технологии DVB-S2 дают постоянный предсказуемый эффект: при том же энергетическом запасе можно использовать более эффективную модкодовую конструкцию и таким образом уменьшить занимаемую полосу. По данным, которые приводит специалист «Московского телепорта», применение DVB-S2 позволяет сэкономить (по сравнению с DVB-S) около 30% полосы пропускания. Эффект же от режима ACM носит вероятностный характер: при ясной погоде он дает возможность выиграть до 32% по сравнению с ненастьем.

Юрий Евдокимов рекомендует всегда проектировать сеть спутниковой связи для наихудшего случая, чтобы она обеспечивала требуемую скорость в самых неблагоприятных (для прохождения сигнала) погодных условиях. Когда погода ясная, технология АСМ дает возможность существенно повысить поддерживаемую скорость. Если специфика приложения позволяет воспользоваться этим дополнительным бонусом, то можно получить очень существенные преимущества.

Но возможен и другой подход: сеть изначально проектируется для обеспечения требуемой пропускной способности при чистом небе. В случае дождя скорость передачи снижается. Целесообразность такого варианта проектирования зависит от того, насколько часто идут дожди в данном регионе, а также от требований приложений. Если снижение пропускной способности неприемлемо, то лучше пойти по пути, который советует специалист компании «Сайрус Системс».

АДАПТАЦИЯ В ОБРАТНЫХ КАНАЛАХ

Рисунок 2. Пример использования технологии динамической адаптации канала (Dynamic Link Adaptation, DLA).

Определенная адаптация возможна и для обратных каналов — от терминалов VSAT до центральной земной станции. Соответствующие технологии не являются стандартными и называются у разных производителей по-разному. Например, Hughes Network Systems называет этот механизм адаптивным кодированием (Adaptive Coding), а ViaSat — динамической адаптацией канала (Dynamic Link Adaptation, DLA). При чистом небе на обратных каналах может поддерживаться высокий коэффициент FEC, например 6/7, а при ухудшении условий, скажем из-за дождя, — осуществляться переход на более надежный вариант FEC 2/3 (см. Рисунок 2). При дальнейшем ухудшении условий — усилении дождя — терминал автоматически снизит символьную скорость для сохранения требуемого уровня надежности передачи.

Как указывает Юрий Евдокимов, если функционирование прямых каналов четко регламентируется стандартом DVB-S2, а потому проблем совместимости на линии «вниз» нет (например, при вещании на терминалы спутникового ТВ), то с обратным каналом ситуация сложнее. Еще в 2000 году был принят стандарт DVB-RCS (Digital Video Broadcasting — Return Channel via Satellite), который определил работу таких каналов. Однако заложенный в нем функционал оказался недостаточно эффективным, и производители начали расширять его, предлагая собственные решения. В целом, по мнению эксперта «Сайрус Системс», фирменные технологии обеспечивают примерно 10-процентный выигрыш по использованию спутникового ресурса в сравнении со стандартом DVB-RCS. Применение таких технологий делает несовместимыми терминалы VSAT разных производителей.

СОВМЕЩЕНИЕ ЧАСТОТ ПРЯМОГО И ОБРАТНЫХ КАНАЛОВ

Рисунок 3. Классический режим работы сети VSAT, построенной по схеме «звезда» с центральной земной станцией (ЦЗС). Прямой и обратные каналы формируются на разных частотах.

Существенно повысить эффективность использования спутниковых каналов позволяет еще один интересный механизм, работающий на физическом уровне. Однако в отличие от рассмотренных выше он пока не получил широкого распространения в сетях VSAT. Этот механизм предполагает совмещение частот прямого и обратного канала. Считается, что первой такое решение предложила компания ViaSat, назвав его Paired Carrier Multiple Access (PCMA). Сегодня еще два известных производителя — компании Gilat и Paradise — по лицензии используют технологию ViaSat: соответствующее решение у Gilat называется Bandwidth Optimization (BWO), а у Paradise — Paired Carrier. Подобный принцип использует в своих модемах и компания Comtech: ее решение Carrier in Carrier (CnC) базируется на технологии, лицензированной у компании Applied Signal Technology.

Как известно, в традиционных сетях VSAT прямой и обратные каналы функционируют на разных частотах (см. Рисунок 3), соответственно, требуемые для их формирования частотные ресурсы суммируются.

Рисунок 4. Режим работы сети VSAT, в которой прямой и обратные каналы формируются в одной полосе частот.

При использовании технологии совмещения прямой и обратные каналы передаются в одной и той же полосе частот (см. Рисунок 4), что позволяет значительно снизить потребность в спутниковых ресурсах. В этом случае приемники на всех станциях сети получают от спутника сигналы как прямого, так и обратных каналов и должны «уметь» выделить нужный им сигнал. Поскольку мощность прямого сигнала существенно выше, то удаленные терминалы легко выделяют его, воспринимая сигнал обратных каналов в качестве шума. На центральной станции задача оказывается гораздо сложнее, ибо надо отфильтровать более мощный сигнал прямого канала. Для этого применяется механизм, схожий с тем, что давно используется для подавления эха в системах телефонии: оборудование ЦЗС «запоминает» передаваемый сигнал (прямой канал), а затем, получив наложенные друг на друга прямой и обратные каналы, просто вычитает его, выделив таким образом необходимые (обратные) каналы.

Специалисты компании «Сайрус Системс» акцентируют внимание на специфике применения разных технологий совмещения частот прямого и обратных каналов. Компания ViaSat, официальным дистрибьютором которой является «Сайрус Системс», разрабатывала свою технологию для сети ArcLight, в которой разделение обратных каналов осуществляется путем использования свойств шумоподобных сигналов с кодовой модуляцией (CDMA), причем эти каналы организуются в той же полосе частот, которую занимает прямой канал. Эта технология (PCMA), реализованная в устройствах VPCMA-L, ориентирована на использование в больших сетях, которые занимают широкую частотную полосу, например весь транспондер 36, 54 или 72 МГц. Производительности одного такого устройства, установленного на ЦЗС, достаточно, чтобы компенсировать сигнал прямого канала в столь широкой частотной полосе. По утверждению Юрия Евдокимова, технологии типа Carrier in Carrier используются чаще в модемах на симметричных каналах точка – точка, занимающих гораздо более узкие полосы (до 10–12 МГц).

На первый взгляд может показаться, что совмещение частот прямого и обратных каналов позволяет вдвое снизить необходимый спутниковый ресурс. На самом деле это не так. Как отмечает Александр Рудаков, теоретические 50% недостижимы на практике, так как при переходе на этот режим приходится использовать менее эффективную модкодовую конструкцию, чем в классическом режиме. По его данным, использование технологии CnC позволяет экономить до 40% полосы. По данным, которые представлены в материалах компании Gilat, решения BWO дают возможность экономить до 30%.

Основная проблема внедрения технологии PCMA в существующих сетях связана с тем, что для подобного частотного уплотнения необходимо иметь некоторый запас по энергетике (отношению сигнал/шум). «Накладывая частоты, вы сами себе добавляете помех, и чтобы извлечь нужный сигнал, необходим энергетический запас. Производители рекомендуют, чтобы он был на уровне 1–1,5 дБ, наш опыт показывает, что требуется больший резерв — 2–3 дБ, — говорит Юрий Евдокимов. — Но в грамотно спроектированной сети все сбалансировано: диаметры антенн, мощности передатчика, транспондера и пр. Никакого запаса просто нет».

Эксперты «Сайрус Системс» приводят несколько предпосылок внедрения технологий типа PCMA. Ясно, что это можно делать в новых сетях, при проектировании которых будет заранее предусмотрено использование таких технологий. Кроме того, иногда это возможно и в очень старых сетях. «В сетях, которые строились 10–15 лет назад, устанавливались антенны больших диаметров. С тех пор спутники заменили на более мощные, и при работе с такими антеннами стало расходоваться меньше ресурсов транспондера. Их можно «добрать» различными способами, например, повысить эффективность модуляции, но это потребует замены старых модемов. Как вариант можно рассмотреть внедрение технологии PCMA, реализованной во внешнем устройстве VPCMA-L, — рассказывает Юрий Евдокимов. — С запуском новых спутников появится более качественный ресурс, и тогда тоже можно будет вернуться к вопросу внедрения PCMA в существующих сетях VSAT».

СЖАТИЕ И УПАКОВКА ТРАФИКА IP

Если на физическом уровне целью оптимизации является повышение эффективности использования частотного ресурса (больше битов на 1 Гц), то на вышележащих (канальном, сетевом и транспортном) уровнях — эффективность упаковки пакетного трафика.

Стандарты DVB определяют два способа инкапсуляции IP-пакетов в транспортный поток MPEG, который в системах DVB выполняет функции мультисервисного транспорта, переносящего аудио, видео и IP-трафик.

Рисунок 5. Эффективность двух механизмов инкапсуляции IP-трафика в поток MPEG.

Изначально был разработан метод мультипротокольной инкапсуляции (Multi Protocol Encapsulation, MPE), который описан в документе ETSI EN 301 192. Впоследствии рабочая группа IPDVB предложила другой вариант — Generic Stream Encapsulation (GSE, ETSI TS 102 606), который позволяет более эффективно использовать канальные ресурсы (см. Рисунок 5). Это достигается, в частности, за счет того, что алгоритм GSE (в отличие от MPE) не требует сегментации пакетов на 188-байтные блоки MPEG-TS и использует заголовки меньшего размера.

Как отмечают эксперты компании Hughes Network Systems, снижение накладных расходов, обеспечиваемое алгоритмом GSE, максимально в случае передачи маленьких пакетов, что обычно имеет место в голосовых приложениях. Вместе с тем, даже несмотря на потерю эффективности, в определенных ситуациях требуется применять схему MPE — например, когда передаваемый в прямом канале IP-трафик мультиплексируется с множеством видеопотоков DVB/MPEG.

Очевидным способом снижения объема передаваемого через спутник IP-трафика является его сжатие. Однако оно эффективно далеко не для всех типов трафика: например голосовая и видеоинформация обычно сжимается соответствующими кодеками, поэтому ее дополнительная компрессия практически ничего не дает. В то же время для типичного Webтрафика эффект может оказаться весьма значителен. Как утверждают представители Hughes Network Systems, запатентованный этой компанией алгоритм ITU V.44, применяемый к полезной нагрузке, дает повышение эффективности на 40%. И это дополнительно к тому эффекту, который обеспечивает компрессия заголовков различных протоколов сетевого и транспортного уровней (IP, TCP, UDP, RTP). Как указывает Александр Рудаков из компании «Московский Телепорт», компрессия заголовков особенно эффективна при передаче голосового трафика, который представляет собой поток коротких пакетов.

КАК ОБМАНУТЬ TCP

При передаче IP-трафика через спутниковые системы связи очень часто используют ускорители TCP. Как известно, этот протокол транспортного уровня предусматривает подтверждение (квитирование) получателем корректного приема определенной порции пакетов («окна TCP»). Если такая квитанция не получена, отправитель снижает скорость передачи следующих блоков информации, полагая, что в сети возникла перегрузка. В системах спутниковой связи, в которых информационные потоки между ЦЗС и конечными пользователями преодолевают гигантское расстояние около 80 тыс. км, такой «интеллект» TCP приводит к уменьшению реальной пропускной способности канала и снижению надежности связи. Для их недопущения используется целый ряд мер. В первую очередь это алгоритм спуфинга (spoofing), когда квитанции формируются локально, эмулируя подтверждение о корректном принятии пакетов удаленной стороной. Кроме того, применяются «окна» TCP большего размера, механизмы ускоренного установления соединения, восстановления размеров «окна» и др.

Рисунок 6. Типичные задержки в спутниковых системах связи.

Как отмечает Александр Рудаков, из-за большой задержки на спутниковом канале (см. Рисунок 6), в обычном режиме (то есть при ожидании подтверждения успешного приема серии IP-пакетов) протокол TCP не позволяет разогнать поток до скорости более 1 Мбит/с, следовательно, каналы с большей пропускной способностью будут использоваться не полностью. Локальная генерация квитанций решает эту проблему. Кроме того, ее можно избежать, используя многосеансовый режим, поэтому технология спуфинга присутствует не во всех ускорителях.

Попытки стандартизировать набор алгоритмов, адаптирующих протокол TCP к работе на спутниковых каналах, привели к созданию протокола Space Communication Protocol Standard Transport Protocol (SCPS-TP). Однако большинство продуктов поддерживают также и более эффективные фирменные реализации.

Как правило, функционал ускорения TCP, часто называемый Performance Enhancing Proxy (PEP), реализуется в самих терминалах VSAT и реже в спутниковых модемах (в спутниковых модемах SCPC, традиционно оснащаемых портами G.703, он не используется). Производительности такой программной реализации вполне достаточно для задач, выполняемых одним терминалом. Иногда PEP реализуется в отдельном устройстве. Такие реализации, например, необходимы, когда трафик шифруется — эта операция выполняется до спутникового модема, а потому тот не может «работать» с полями протокола TCP. В этом случае устройство PEP ставится перед шифратором.

В качестве примера внешнего ускорителя TCP можно привести устройство Compact xPEP (eXtreme Performance Enhancing Proxy) компании ViaSat. Это устройство поддерживает три режима работы, причем оно автоматически определяет конфигурацию сети и динамически переключается в оптимальный режим. При взаимодействии с ускорителем TCP другого производителя для оптимизации связи Compact xPEP использует стандартизованный протокол SCPS-TP. Если же в сети обнаружено другое устройство Compact xPEP, то выбирается фирменный режим XL, обеспечивающий максимальную пропускную способность. Когда на другом конце канала не установлен никакой ускоритель TCP, данное устройство обеспечивает одностороннее ускорение.

ЕЩЕ ВЫШЕ

Поднимаясь еще выше по уровням модели OSI, мы переходим к алгоритмам, учитывающим особенности функционирования конкретных приложений. К их числу относится превентивная загрузка объектов Web-страниц, реализованная, например, в технологии TurboPage компании Hughes Network Systems. При ее использовании сервер, находящийся на ЦЗС, отслеживает запросы удаленных терминалов и сам запрашивает связанные Web-объекты, подгружая их на удаленный терминал. Впоследствии загружаться в компьютер пользователя они будут уже не через спутниковый канал, а локально, из кэш-памяти VSAT-терминала. Это решение направлено в первую очередь на повышение скорости работы приложения, а не на экономию канальных ресурсов. Однако снижение числа запросов (GET) от клиента может снизить нагрузку в канале.

Выше уже не раз говорилось об использовании алгоритмов сжатия. Они могут применяться и на прикладном уровне, будучи специально адаптированными к работе с HTTP-контентом. В частности, сжатие графических файлов. jpg и. gif — со снижением качества изображения — может существенно уменьшить объем передаваемой информации, но при этом качество восприятия (QoE) Web-контента конечным пользователем ухудшится не слишком сильно. Как утверждают специалисты Hughes Network Systems, при использовании ее технологии Web Optimizer снижение объема трафика может достигать 30%.

Широкий набор технологий высокоуровневой оптимизации реализован в программной системе AcceleNet компании ViaSat, которая специально разработана для пользователей из сегмента SOHO и мобильных профессионалов. Решение AcceleNet имеет архитектуру клиент-сервер и состоит из клиентского ПО, устанавливаемого на персональные компьютеры пользователей, и серверной части, развертываемой на сервере Windows. Входящие в состав AcceleNet ускорители работы приложений повышают скорость выполнения сетевых транзакций, уменьшая число круговых передач пакетов при использовании таких протоколов, как CIFS/SMB, MAPI/ RPC, SMTP/POP3, HTTP, HTTPS, ICA/RDP, Signed SMB и TCP. На пути между клиентом и сервером AcceleNet применяется фирменный транспортный протокол Intelligent Transport Protocol (ITP). Кроме того, в AcceleNet для сжатия данных используется большой набор разных кодеров, в том числе специализированных (ориентированных на конкретные форматы данных) и дельтакодеров (использующих словарь ранее переданных данных для улучшения сжатия новых файлов). Испытания, которые были проведены на спутниковой сети Managed Broadband Services (MBS) компании ViaSat, показали, что решение AcceleNet значительно ускоряет загрузку содержимого популярных Web-сайтов — для большинства из них сокращение времени загрузки и объема передаваемых при этом данных превысило 50%.

Еще одним действенным механизмом экономии спутникового ресурса является кэширование, позволяющее оптимизировать передачу повторяющихся фрагментов информации. Использование этой технологии в спутниковых и обычных (наземных) сетях связи не слишком отличается. Специалисты компании Gilat рекомендуют реализовать распределенную систему кэширования, разместив кэширующие устройства на каждом узле сети VSAT. При этом желательно, чтобы каждое устройство содержало весь необходимый контент для исключения запросов между VSAT-терминалами. Такой подход наилучшим образом соответствует специфике работы сетей VSAT.

Комбинация рассмотренных в статье технологий, работающих на разных уровнях модели OSI, позволяет существенно повысить эффективность использования имеющегося спутникового ресурса. Но, конечно, борьба с его дефицитом предполагает и добавление нового ресурса. Будем надеяться, что запланированные на ближайшее время запуски спутников связи пройдут успешно и ближе к концу года у нас появится повод поговорить про практическое освоение перспективного Ka-диапазона. В этом диапазоне за счет переиспользования частот в разных лучах может быть достигнуто многократное повышение эффективности использования спутникового ресурса, что позволит сделать спутниковую связь доступной более широкому кругу корпоративных и индивидуальных потребителей.

Александр Барсков — ведущий редактор «Журнала сетевых решений/LAN». С ним можно связаться по адресу: ab@lanmag.ru.