Satelitn ý Internet Joe Montana IT 488 Fall, 2003

1. Satelitný Internet Joe Montana IT 488 Fall, 2003 preklad: P.Mišenko

2. Zdroje: • IEEE: • Satellite-based Internet: a Tutorial (Yurong Hu and Victor O.K. Li), IEEE Comm., March 2001. • A Survey of Future Broadband Multimedia Satellite Systems, Issues and Trends (John Farserotu & Ramjee Prasad), IEEE Comm., June 2000. • Broadband Satellite Systems (Daniel Bem et.al) IEEE Surveys, 1st Quarter 2000. • Internet: • http://www.irwincom.com/idvs-summary.txt (Irwin Consulting Report – Internet Delivery via Satellite, June 1999) • Dr. Jeremy Allnutt class notes • Leila Z. Ribeiro Class Handouts • Students research papers: • Kwabena Konadu & Rafael Chaparro • Kim Wee • Semirames Miranda

3. Úvod

4. Internetovéslužby “Sú definované ako každá služba, v ktorej dátová prevádzka pochádza z, prenáša sa cez, alebo je určená pre verejný Internet - rastie z cca. 5,4 Gb/s od konca roku 1999 na približne 21 Gb/s v roku 2003.”

5. Možnosti služby • Zabezpečenie internetového chrbtového prepojenia. (Intelsat, Loral-Orion, PanAmSat, etc). Veľká časť príjmov v existujúcich systémoch. • Účastnícke prípojky (Koncové prístupové body): novší prístup. Niektoré systémy sú už v prevádzke (DirectPC a Starband). Mnoho systémov je navrhnutých pre budúcnosť.

6. Chrbtové prepojenia • “Internetové služby chrbtového prepojenia typu bod-bod dnes predstavujú jeden z najväčších identifikovateľných trhov internetových služieb.   • Postupným nasadzovaním optických vlákien na celom svete, bude potenciálny trh pre internetové satelitné služby typu bod-bod postupne slabnúť. • V dlhodobom výhľade budú najúspešnejšie tie satelitné služby, ktoré využívajú vlastné silné stránky systémov satelitnej komunikácie - vysielanie.

7. Riešenie účastníckych prípojok • Pozostáva z priameho pripojenia užívateľov k sieťovým prístupovým bodom. • Družicové siete majú jasné výhody proti iným pozemným systémom vďaka svojej schopnosti byť v dosahu zákazníkom kdekoľvek a kedykoľvek. • Hlavné výzvy pre riešenie účastníckych prípojok sa opierajú o poskytovanie dostatočnej šírky pásma v oboch smeroch (schopnosť obojsmerného širokopásmového spojenia) pri nízkej cene užívateľského koncového zariadenia. • Poskytovanie internetových služieb pre mobilných koncových užívateľov, predstavuje ďalšiu výzvu.

8. Záber tejto prezentácie • Mobilné aplikácie: Širokopásmové internetové pripojenie cez mobil (3G). Vlastnosti GSO alebo NGSO. • V súčasnosti podporovaný s obmedzením: nízka rýchlosť prenosu dát. • Budúca podpora: Teledesic, Inmarsat (Rozšírenie mobilných hlasových systémov popisovaných v predchádzajúcich prezentáciách) • Pevné aplikácie („Priamo do domu“): Typicky GSO systémy, niektoré NGSO systémy. Príklady: • V súčasnosti : DirectPC a Starband • V budúcnosti : Teledesic, Astrolink, Spaceway-GEO a Skybridge

9. Systémovýdesign

10. Výber typu orbity • GSO možnosť: Výhoda  Väčšie pokrytie • Problém vzdialenosti: • Veľké meškanie (ťažkosti pre interaktívne aplikácie v reálnom čase) • Veľký útlm prenosu (vyžaduje vyšší vysielací výkon a zisk antény) • NGSO možnosť : Výhoda  Menšie oneskorenie • Problém premenlivého uhla pohľadu: • Vyžaduje sofistikovanejšie sledovacie techniky, alebo vo väčšine prípadov, všesmerové antény. • Vyžaduje podporu prenosu z jednej družice na inú (handoff). • Hybridná možnosť: Sieť zahŕňa niektoré GSO a niektoré NGSO satelity, aby mala to najlepšie z oboch možností. Napr. Spaceway

11. Frekvenčné pásma • Najčastejšie používané: • C pásmo (4-8 GHz): už veľmi preťažené. • Ku pásmo (10-18 GHz): Väčšina systémov DBS, rovnako ako existujúce systémy Internet DTH (DirectPC a Starband). • Ka pásmo (18-31 GHz): Ponúka väčšiu šírku pásma s menšími anténami, ale trpí viac poruchami prostredia a je dnes menej používané (väčšie náklady) v porovnaní s C a Ka.

12. Architektúra • ‘Potrubie (Bent pipe)’: Družice fungujú ako opakovače. Signál je zosilnený a vyslaný, ale nedôjde k zlepšeniu v pomere signál/šum, pretože nie je demodulácia, dekódovanie alebo iný typ spracovania. Žiadnu možnosť ISL, väčšie oneskorenie kvôli niekoľkým skokom. • Spracovanie na palube (On-Board-Processing - OBP):Satelit plní úlohy, ako je demodulovanie a dekódovanie signálu, ktoré umožňujú obnovu signálu pred prenosom (nové kódovanie a modulácia). Vzhľadom k tomu, že signál je v niektorom bode dostupný v základnom pásme, ostatné činnosti sú tiež možné, ako je smerovanie, prepínanie, atď. Umožňuje realizáciu ISL.

13. Architektúra “Bent Pipe” Satellite-Based Internet: A Tutorial Yurong Hu and Victor O. K. Li, The University of Hong Kong IEEE Communications Magazine - March 2001

14. Architektúra s OBP a ISL

15. Terminály a Asymetria užívateľa • Interaktívne terminály: môžu aj vysielať a prijímať dáta priamo k / z družice. Stále veľmi drahé pre DTH užívateľa (napr. Starband terminál stojí 400$ + 200$ inštalačný poplatok). • Prvé DBS internetové služby ponúkali jednosmerný prenos, užívateľ len prijímal dáta, a požiadavky posielal cez pozemnú sieť. Napr. DirectPC prvej generácie. • Vzhľadom k tomu, že internetový prenos sa stáva postupne menej asymetrickým, jednosmerné riešenia nemajú v blízkej budúcnosti veľké šance na úspech.

16. Riadenie viacnásobného prístupu • Podpora QoS pre prenos dát vyžaduje určenie priorít. Prenos v reálnom čase má najvyššiu prioritu. • Tri skupiny realizácie: • Pevné priradenie: Účelovo priradené kanály založené na FDMA, TDMA, alebo CDMA. • Náhodný prístup: Aloha a jej variácie. Každá stanica vysiela v prípade potreby. Kolízie vznikajú pri simultánnom prenose. • Priradenie na požiadanie (DAMA): Fáza dohodnutia zdrojov pred prenosom dát. Šírka pásma pridelená na vyžiadanie s využitím FDMA, TDMA, alebo CDMA.

17. Smerovacie schémy • GSO smerovanie cez pozemnú sieť (bez ISL – Inter-Satelite Link). • LEO smerovanie: • Dynamická topológia: Podpora pre medzisatelitné spojenie, spojenie s využitím prepojenia medzi stopami. • Dostupnosť ISL umožňuje vytvoriť na oblohe mesh-topológiu siete. Môže byť podporovaná komunikácia Intra-plane aj Inter-plane ISL.

18. Transportnýprotokol • TCP / IP cez satelitné spojenie v súčasnosti ukazuje niektoré problémy, ktoré vyžadujú zmeny v implementácii protokolu: • Typický pomalý štart TCP implementácie by mohol byť nahradený väčšími inicializačnými oknami. • Využitie Spoofingu (?) kvôli kompenzácii dlhého vybavovacieho času RTT (Round-trip time) vlastného satelitným spojeniam (hlavne GSOs), zaslaním „falošných„ signálov ACK, aby sa mohlo pokračovať v prenose. (tak trochu ‘podfuk’ vočiTCP).

19. Prípadové štúdie

20. Budúce systémy: A Survey of Future Broadband Multimedia Satellite Systems, Issues and Trends John Farserotu, CSEM &Ramjee Prasad, Aalborg University IEEE Communications Magazine June 2000

21. Budúce systémy: Satellite-Based Internet: A Tutorial Yurong Hu and Victor O. K. Li, The University of Hong Kong IEEE Communications Magazine - March 2001

22. Astrolink (2003) • Satelitná sústava Astrolink sa skladá z deviatich GEO satelitov • Ide o Ka-Band systém (satelitný systém v pásme Ka). Frekvencia prenosu dát zo zeme - uplink (smer komunikácie: zem – satelit) je 28.35 – 28.8 GHz . Frekvencia prenosu dát v smere satelit – zem (downlink) je v rozpätí 19.7 – 20.2 GHz. • Systém je navrhnutý na podporu vysokorýchlostnej multimediálnej komunikácie. • Využíva OBP na zvýšenie účinnosti a OBS kvôli flexibilite. Každý satelite je neoddeliteľnou súčasťou komunikačnej siete, na rozdiel od systému bent-pipe (systém prenosu dát pomocou „ohnutých rúrok“) – je to jeho protiklad. • Rýchlosť prenosu dát sa pohybuje v rozpätí od 16 kb/s do 9 Mb/s. Prenos dát 384 kb/s je podporovaný 90 centimetrovými parabolickými anténami, čo systému Astrolink dovoľuje byť potenciálne vhodným pre veľké mobilné platformy.

23. Cybestar (2001) • Ide o sústavu v Ka pásme skladajúcu sa z troch GEO satelitov • Pôvodne plánované na vytvorenie Ku/Ka- Band flotily pozostávajúcej z troch Ka-Band satelitov a zo 48 LEO Ku-Band satelitov. Zatiaľ čo spoločnosť ešte plánuje vybudovať systém Ka-Band, primárny dôraz je na úspešnej realizácii ponúkania svojej služby Ku-Band, ktorá používa Telstar 5 spoločnosti Loral Skynet na dodávanie širokopásmových služieb pre obchodné spoločnosti. • Cybestar – Ka je navrhnutý na dodávanie IP multicastingových služieb poskytovateľom internetových služieb (Internet Services Providers - ISPs), veľkým a menším obchodným organizáciám a poskytovateľom multimediálneho obsahu. • Kapacita siete Cybestar – Ka je 9.6 Gb/s. Uskutočňuje sa tu IP multicasting založený na rámcovom prenose a technológii ATM.

24. Spaceway • Môže byť zavádzajúci, pretože existuje mnoho fáz a konfigurácií toho, čo sa nazýva „Spaceway“ • Konečná konfigurácia systému Spaceway plánuje 16 GEO a 20 MEO satelitov (MEO – mediumearthorbit – stredná obežná dráha zeme). • Spoločnosť HughesElectronics zverila 1,4 miliardy dolárov systému HughesSpaceway na spustenie troch Ka-band satelitov (začiatok služieb v roku 2001), ktoré budú platformou pre DirectPC ďalšej generácie. • Návrh H-Link spoločnosti Hughes je spustiť 22 satelitov MEO (2 rezervné) použijúc Ku-band na ponúkanie širokopásmových služieb. • Návrh HughesNET pozostáva zo 70 Ku-band satelitov LEO pre internetový prístup typov packet-switched a circuit-switched

25. Spaceway (2002) • Konečná konfigurácia plánuje 16 GEO a 20 MEO satelitov • Ka-band systém navrhnutý na podporu vysokorýchlostných dát, prístupu na internet a širokopásmové multimediálne informačné služby • Architektúra systému satelitov Spaceway je založená na bežnom „bent-pipe“ prenose (smer komunikácie: jedno miesto na zemi – satelit – iné miesto na zemi) • Ponúka vysokú QoS (miera bitového omylu 10-10) používateľom aj s terminálmi minimálnej veľkosti 0.66 m; rýchlosť prenosu dát sa pohybuje od 16 kb/s do 6 Mb/s. • Systém Spaceway je kompatibilný s ATM, s ISDN (integrated service digital network – digitálna sieť integrovaných služieb), s rámcovým prenosom a s X.25 zemskými štandardmi.

26. SkyBridge (2002) • Skybridge je jediným z hráčov (z predtým spomenutých systémov), ktorý má riešenie Ku-Band založené na LEO (low earth orbit – nízka obežná dráha zeme). Z pôvodnej zostavy 64 satelitov LEO Ku-band svoj systém rozšírili na 80 satelitov za celkových 4.2 miliardy dolárov. Popri rozhodnutí používať Ku-band, Skybridge vykučuje akékoľvek schopnosti „prepínania na oblohe“ alebo medzi satelitného spojenia (spojenia medzi viacerými satelitmi). • Zostava sa skladá z 80 satelitov v kruhovom orbite (kruhovej obežnej dráhe zeme v nízkej nadmorskej výške) vo výške 1496 km. Orbitálny sklon je 53 s. • Systém je určený na podporu pokročilých multimediálnych služieb (napr. interaktívnych multimédií) s rýchlosťou prenosu dát v rozmedzí od 16 kb/s až do 60 Mb/s. • Dizajn satelitov SkyBridge je založený na architektúre typu bent-pipe.

27. SkyBridge (pokračovanie) • Na rozdiel od ostatných doposiaľ opísaných systémov, SkyBridge je Ku-Band systémom. Frekvencia uplinku je 12.75 – 14.5 GHz a downlink prebieha v rozmedzí 10.7 – 12.75 GHz. Výber systému Ku-band je podmienený dostupnosťou Ku-band technológie. • Bránové stanice systému SkyBridge sú prepojené so zemskými sieťami prostredníctvom prepínania ATM. Od väčšiny služieb sa očakáva, že sú založené na princípe IP. SkyBridge využíva kombinovaný viacnásobný prístup CDMA/TDMA/FDMA – založený na kóde, čase a frekvencii, avšak samotné satelity sú transparentné/priame (systém typu bent-pipe). • Na zvýšenie kapacity sa používajú bunkové lúče s opakovanímfrekvencie.SkyBridgeje navrhnutý na zastrešenie prevádzky pri počte súčasne komunikujúcichpoužívateľov presahujúcom 20 miliónov.

28. Teledesic (2004) • Konštelácia Teledesic sa skladá z 288 satelitov v 12 orbitálnych rovinách – v každej rovine je 24 satelitov. • Teledesic je Ka-pásmový systém. Uplink prebieha na frekvencii 28.6 – 29.1 GHz, downlink na frekvencii 18.8 – 19.3 GHz. Používa signály s frekvenciou 60 GHz pre ISL medzi susediacimi satelitmi v každej orbitálnej rovine. • Teledesic využíva úplnú OBP a OBS (on-board prepojovanie). Systém je navrhnutý tak, aby bol „Internetom na oblohe“. • Ponúka vysokokvalitný zvuk, dáta a multimediálne služby. Výkonnosť QoS je určená na BER 10-10. • Viacnásobný prístup je kombináciou multifrekvenčnej TDMA (MF – TDMA) na uplinku a asynchrónnej TDMA (ATDMA) na downlinku.

29. Teledesic (pokračovanie) • Kapacita siete je naplánovaná na 10 Gb/s. Umožňuje pripojenia používateľov rýchlosťou 2 Mb/s na uplinku a 64 Mb/s na downlinku. • Minimálny elevačný uhol veľkosti 40.25 umožňuje dosiahnuť dostupnosť systému Teledesic v miere 99.9 percent. • 288 LEO satelitov v pásme Ka systému Teledesic prináša enormnú zložitosť, hlavne čo sa týka ešte nevyskúšanej technológie, on-board prepínania medzi satelitnými možnosťami. Zatiaľ čo sa táto komplexnosť časom môže premietnuť do väčšej pružnosti služieb, očakávame ďalšie nové úpravy v obchodnom pláne Teledesic-u a vývin ich systému.

30. iSky (2001) • iSKy, predtým KaStar, sa sústreďuje na poskytovanie širokopásmových dát a internetových služieb severnej Amerike (regionálne riešenie). • Tento Ka-bandový systém je navrhnutý na podporu obojsmerného prístupu na internet, priamych vysielacích služieb (DBS), a budúcich osobných komunikačných systémov (PCS) pre domácnosti a kancelárie prostredníctvom antén s malou apertúrou. • Pôvodná sústava sa skladá z dvoch GEO satelitov . Frekvencia uplinku je v rozmedzí od 19.2 – 20.0 GHz , frekvencia downlinku sa pohybuje v rozpätí 29.0 – 30.0 GHz. • Predpokladá sa rýchlosť prenosu dát 40 Mb/s s typickou rýchlosťou medzi 1.5 – 5 Mb/s.

31. Ostatné satelitné systémy pre „poslednú míľu“ • Ostatné plánované širokopásmové systémy zahŕňajú: • Uživateľské obálky v pásme Ka na Koreasat 3, ktoré ponesú tri Ka-bandové transpordery • Astra 1-H, mala by byť prvou z dvoch SES Ku/Ka-bandových satelitov, pôvodne plánových na rok 1999 • Superbird 2B spoločnosti Space Communications so základňou v Tokiu, ktorý má nahradiť Ka-bandový satelit Superbird B (pôvodne plánované na rok 2000). • Telespazio ponúka široký výber multikastových a vysielacích riešení vrátane vysokorýchlostného IP pripájania.

32. Rádioregulačné záležitosti Celosvetová otázka pravidiel má trend deregulácie telekomunikácií vo väčšine krajín združených vo WTO (World Trade Organization). V týchto krajinách sa prijímajú neexkluzívne licenčné podmienky pre telekomunikačných poskytovateľov ako odpoveď na základnú dohodu od WTO v oblasti telekomunikácií. Európska únia urobila taktiež významný pokrok pri otváraní svojich trhov so satelitnou komunikáciou a znížila obchodné bariéry pre dosiahnutie jednotného trhu pre satelitné služby.

33. Otázka pravidiel (pokračovanie) Prístup k väčšine ázijských trhov si okrem prístupných práv vyžaduje aj formu politickej vôle, pretože internetové, televízne a rozhlasové služby podliehajú aj politickým záujmom. Bilaterálne a regionálne dohody sú umožňujú postupné, i keď nerovnomerné otvorenie trhov v Latinskej Amerike. Otázky pravidiel v oblastiach ako je Afrika a stredný východ sa majú sklon spájať s rozvojom infraštuktúry a s vysokými nákladmi na internetové služby, ako aj s postojom vlád k otvorenému prístupu k sieti Internet.

34. Analýza trhu Poskytovatelia DBS systémov môžu využiť rastúci dopyt po Internete s použitím prebytočného pásma na dodávku internetových služieb priamo koncovým zákazníkom. Súčasné služby, pri ktorých badať znížený záujem, kombinujú Internetový obsah doručený cez satelit so spiatočnou terestriálnou cestou a klasický televízny obsah. Najväčšou výzvou pre priemysel s pásmom „Ka“ nie je technologický vývoj ale skôr rozvoj služieb a ich následný predaj, ako aj samotné financovanie Vzhľadom na rýchlosť vývoja na trhu siete, ktorý sa mení v čase, je potrebné ostať flexibilný, pretože kľúčom k úspechu sú použité služby. Koncom roka 2001 očakávame približne 1000 poskytovateľov v pásme Ka poskytujúcich interaktívne internetové služby, ktorých počet v roku 2003 dosiahne viac ako 100 000.

35. Analýza trhu Ďalšie dostupné možnosti širokopásmového pripojenia k Internetu pre koncového užívateľa: DSL Káblový modem MMDS a LMDS (bezdrôtové technológie) Pozemné 3G systémy použité pri mobilných aplikáciách

36. Možnosti prístupu k Internetu pre domácnosti DSL modem – je technológia, ktorá premieňa obyčajné telefónne linky na vysokorýchlostné digitálne linky. Dáta sú prenášané súčasne v oboch smeroch rýchlosťou až 1,5 Mbps po medených vodičoch. Nevýhodou tohto pripojenia je, že užívateľ musí byť pripojený k najbližšej telefónnej ústredni v max. vzdialenosti 500m. Káblový modem – je zariadenie ktoré umožňuje pripojenie k Internetu prostredníctvom liniek káblovej televízie. Pracuje v 1 kanáli v rámci pásma 50 – 750 MHz pre downstream a 5 – 42 MHz pre upstream. Nevýhoda tohto pripojenia spočíva, že so zvýšením počtom používateľov klesá rýchlosť prenosu dát. MMDS( viackanálový a viacbodový distribučný systém) – jedná sa o pevné bezdrôtové širokopásmové siete s centrálnou vysielacou anténou. Nevýhody tohto pripojenia sú nutný priamy výhľad na vysielaciu anténu a vysielacie pásmo.

37. Zhrnutie Budúce satelitné systémy budú ponúkať celú škálu moderných informačných služieb. Trendy smerujú k vysokorýchlostnému internetovému prístupu a multimediálnym službám založeným na technológiách IP, IP/ATM sietí. Poskytovane služby sú od emailov, hlasové služby až po širokopásmový multicasting a interaktívnu video komunikáciu. Satelitné architektúry môžu využiť OBP, OBS, tiež OBR pre rozšírenie kapacity, alebo môžu využiť tradičné „bent-pipe“ metódy pre transpondéry kvôli jednoduchosti a flexibilite. Konštelácie môžu byť typu LEO, MEO, GEO alebo ich kombinácií v závislosti na požadovanom pokrytí a službách. Častejšie sa bude využívať pásmo „Ka“ a jeho vyššie frekvencie Použitie vyšších frekvencií umožňuje nasadenie menších terminálov čím sa zväčšuje mobilita Integrácia vznikajúcich a budúcich satelitných systémov s pozemskými sieťami môže pomôcť prekonať poslednú míľu a sprístupniť tak internetové služby pre podniky a domácnosti