Tecnologías Satelitales IP

06/10/2010 Tecnologas Satelitales "Hubless" IP para Redes

Interancionales1

Tecnologas Satelitaleshubless IP

para

Redes Internacionales

Tecnologas Satelitaleshubless IP

para

Redes Internacionales Carlos F. Belaustegui Goitia

SES SISTEMAS ELECTRNICOS S.A.

[email protected]

15 de Octubre, 2010

Reunin Tcnico-Operativa sobre Redes de Comunicaciones y Transmisin de DatosOACI Oficina Sudamericana, Lima, Per, 11 al 15 de octubre de 2010

Espinosa 1045 (C1405AMM) Buenos Aires ARGENTINA

www.ses.com.ar Tel. +54 11 5453 0000 Fax +54 11 5453 8464


Interancionales2

Temario Temario

Conceptos bsicos rbita geoestacionaria Esquema funcional de estacin terrena Modulacin

Topologas de redes satelitales Estrella Malla Mixta

Mtodos de acceso SCPC TDM/TDMA, TDMA hubless Caractersticas, ventajas y desventajas

Redes hubless VSAT Ancho de banda a demanda Funciones TCP/IP Calidad de servicio Telefona IP Redes internacionales




Interancionales3

Concepto bConcepto bsico de sico de ununenlaceenlace satelitalsatelital

El satlite, a gran altura

sobre la superficie terrestre,

es utilizado como repetidor

entre dos estaciones de

comunicaciones.

Las estaciones terrenas

pueden estar muy alejadas

entre s. No es necesario

que exista alcance visual

entre ellas.

Las estaciones terrenas

deben estar dentro del rea

de cobertura de la antena

del satlite.

Satlite de comunicaciones

rea de cobertura(tambin llamada huellao pisada, del ingls footprint)

Estacin A

Estacin BSegmento terreno

Segmento espacial




Interancionales4

rbita Geoestacionariarbita Geoestacionaria

rbita ecuatorial geosincrnica = rbita geoestacionaria.

Perodo: 24 hs.

Radio: 42 164 km.

Altura sobre la superficie terrestre: 42 164 - 6 378 = 35 786 km.

Velocidad: 3 075 m/s.

Visiblidad: 1/3 de la superficie terrestre.

rbita ecuatorial geosincrnica = rbita geoestacionaria.

Perodo: 24 hs.

Radio: 42 164 km.

Altura sobre la superficie terrestre: 42 164 - 6 378 = 35 786 km.

Velocidad: 3 075 m/s.

Visiblidad: 1/3 de la superficie terrestre. Polo N

rbita ecuatorial geosincrnica

Una rbita de 42 164 Km de radio tiene un perodo de revolucin exactamente igual al terrestre: 24 hs.Para un observador fijo en la superficie terrestre, el satlite aparece inmvil en el cielo.El satlite se comporta como una torre desde la cual se ve aproximadamente 1/3 de la superficie terrestre.Excepto por dos casquetes centrados en los polos, tres satlites bastan para cubrir toda la superficie terrestre.

Una rbita de 42 164 Km de radio tiene un perodo de revolucin exactamente igual al terrestre: 24 hs.Para un observador fijo en la superficie terrestre, el satlite aparece inmvil en el cielo.El satlite se comporta como una torre desde la cual se ve aproximadamente 1/3 de la superficie terrestre.Excepto por dos casquetes centrados en los polos, tres satlites bastan para cubrir toda la superficie terrestre.




Interancionales5

CaracterCaractersticassticas de de loslosSistemasSistemas GeoestacionariosGeoestacionarios

Cobertura global con 3 satlites.

Cobertura regional o nacional.

Costo del enlace independiente de la distancia.

Permite llegar a lugares de difcil acceso por otros medios, como radioenlace o fibra ptica.

No necesita repetidoras intermedias.

Rapidez de despliegue.

Flexibilidad en la configuracin de la red.




Interancionales6

EnlaceEnlace Satelital BSatelital Bsicosico

Estacin A Estacin B

Enlace ascendente(Uplink)

Enlace descendente(Downlink)

Transponder satelital:Traslada en frecuencia y amplifica la seal.fdn2

fup1fdn1

Atencin!: Dibujamos dos antenas para presentar el concepto. Generalmente (aunque no siempre), el transponder utiliza la misma antena para recibir y transmitir en una regin de cobertura dada.

fup2

fup2

fdn2

fup1

fdn1

Conversin defrecuencia

Espectro en la banda de subida

Espectro en la banda de bajada




Interancionales7

EsquemaEsquema Funcional de Funcional de unaunaEstaciEstacinn TerrenaTerrenaEspinosa 1045 (C1405AMM) Buenos Aires ARGENTINAwww.ses.com.ar Tel. +54 11 5453 0000 Fax +54 11 5453 8464


Interancionales8

ModulaciModulacinn

4PSK 8PSK

2 bits por smbolo

Menor eficiencia espectral

Menor probabilidad de error

Menor potencia necesaria

2 bits por smbolo

Menor eficiencia espectral

Menor probabilidad de error

Menor potencia necesaria

3 bits por smbolo

Mayor eficiencia espectral

Mayor probabilidad de error

Mayor potencia necesaria

3 bits por smbolo

Mayor eficiencia espectral

Mayor probabilidad de error

Mayor potencia necesaria




Interancionales9

ModulaciModulacinn

4PSK 8PSK

FECM

rB

b 2log

3,1

B: ancho de banda de la portadora (Hz)

rb: Velocidad de transmisin digital (Bit/s)

M: Nmero de estados de la constelacin.

FEC: Razn del cdigo corrector de errores

B/rb : Eficiencia espectral (Hz/bit/s)

Eficiencia espectral

1/2

3/47/8

1/2

3/47/8

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

1,40

1/2 5/9 3/5 2/3 5/7 3/4 4/5 6/7 8/9

FEC

H

z

/

B

i

t

/

s

4PSK

8PSK




Interancionales10

TopologTopologas deas deRedes SatelitalesRedes Satelitales

Punto a punto

Estrella

Malla

Mixta




Interancionales11

MMtodos de todos de accesoaccesoen generalen general

FDMA - Frequency Division Multiple Access: Acceso mltiple por divisin de frecuencia.

TDMA - Time Division Multiple Access: Acceso mltiple por divisin de tiempo.

CDMA - Code Division Multiple Access: Acceso mltiple por divisin de cdigo.

Tiempo

Frecuencia

Cdigo




Interancionales12

MMtodos de todos de accesoaccesoal satal satlitelite

A

B

C

frecuencia

tiempo

A B C

frecuencia

tiempo

A

BC

cdigoFDMACada estacin transmite todo el

tiempo en una frecuencia

determinada. Cada estacin

recibe todas las frecuencias y

demodula solamente las que

estn destinadas a ella. El

ancho de banda total disponible

para la red se reparte entre las

distintas estaciones.

TDMACada estacin transmite

ocupando todo el ancho de

banda disponible durante una

fraccin de tiempo (rfaga,

ranura temporal o time slot). Todas las estaciones transmiten

en la misma frecuencia. Cada

estacin recibe todas las

rfagas y decodifica solamente

las que estn destinadas a ella.

tiempo

frecuencia

A

CB

CDMACada estacin transmite todo el

tiempo ocupando todo el ancho

de banda disponible. Todas las

estaciones transmiten en la

misma frecuencia. La seal

trasmitida por cada estacin es

codificada por un cdigo

pseudoaleatorio de muy alta

velocidad (cdigo de

ensanchamiento de espectro o

spreading code). Cada estacin recibe todas las

emisiones y decodifica

solamente la destinada a ella,

correlacionndola con una

rplica del cdigo de esa seal,

generada localmente.




Interancionales13

SCPCSCPC

Up/down

Converter + RF

ModemRouter Up/down

Converter + RF

Modem Router

AB

AB

BA

BA

SCPC: Single Channel Per Carrier (canal nico por portadora)

Es el esquema ms simple de red y de acceso al satlite.

Es un enlace permanente punto a punto entre dos estaciones.

El acceso es FDMA.

La denominacin SCPC es histrica. En la poca de las

comunicaciones analgicas, designaba a la modulacin en

frecuencia (FM) de la portadora de RF por un nico canal

telefnico.

Actualmente, en la jerga profesional se mantiene esta

denominacin, aunque se trate, como en este ejemplo, de una

nica seal digital que modula una portadora. La seal digital

puede ser el agregado de varias seales digitales de datos y/o

voz de menor velocidad, multiplexadas en el tiempo.

Reconociendo este hecho, algunos hablan de MCPC: Multiple Channel per Carrier.

Espectro

ascendente

Espectro

descendente

Las portadoras estn siempre en el aire.En otros trminos, la asignacin es permanente.Esto es ineficiente, si la ocupacin del canal no es constante.Para hacer ms eficiente el uso del espectro, se utiliza asignacin a demanda. Esto es un acceso SCPC-DAMA.




Interancionales14

SCPC/Frame RelaySCPC/Frame Relay

Up/down

Converter + RFModulador

Multiplex

Frame RelayDemoduladores Divisor de

potencia

Switch

Frame RelayAB,C

B,C

B

C

BA,C

A,C

C

A

CA,B

A,B

B

A

Estacin A

Estacin C

Estacin B

AB,C CA,BBA,C

AB,C CA,BBA,C

Espectro

ascendente

Espectro

descendente

Es una red con topologa de malla: hay

conectividad entre dos estaciones cualesquiera.

El acceso es FDMA. Las asignaciones son

permanentes.

Cada estacin transmite en una frecuencia propia y

recibe las portadoras transmitidas por las otras

estaciones.

En recepcin, el switch FR combina los flujos recibidos de las distintas estaciones en un nico

agregado, que es demultiplexado en el multiplexor

FR hacia los distintos puertos.

En algunas implementaciones, el switch y multiplexor FR son equipos separados; en otras, un

mismo equipo realiza ambas funciones.




Interancionales15

SCPC/Frame RelaySCPC/Frame RelayEspinosa 1045 (C1405AMM) Buenos Aires ARGENTINAwww.ses.com.ar Tel. +54 11 5453 0000 Fax +54 11 5453 8464

Ejemplo: Red CAFSAT(Central Atlantic FIR Satellite Network)

Recife

SalDakar

Sta Mara

Las PalmasCasablanca

Lisboa

JohannesburgoEzeiza

Interconecta FIRs del Atlntico

Central y Sur, para intercambiar

trfico de voz y datos.


Interancionales16

SCPC/Frame RelaySCPC/Frame RelayEspinosa 1045 (C1405AMM) Buenos Aires ARGENTINAwww.ses.com.ar Tel. +54 11 5453 0000 Fax +54 11 5453 8464

La estacin Ezeiza (Argentina) de la red CAFSAT fue diseada y construda por

INSA Ingeniera y Servicios Aeroespaciales S.A., de Espaa

Fue instalada por

SES SISTEMAS ELECTRNICOS S.A. de Argentina


Interancionales17

SCPC SCPC CaracterCaractersticassticas

Enlace punto a punto.

Solucin simple, fcil de proyectar e instalar.

Para un nico enlace, o pocos enlaces, no requiere gran inversin inicial.

Permite cualquier topologa.

Capacidad asignada en forma permanente aunque no haya trfico.

En una red malla de N puntos, se necesitan:

N(N-1)/2 enlaces, N(N-1) modems y N(N-1) portadoras

Costos de capital y operacin crecen bsicamente como N2

VentajasVentajas

DesventajasDesventajas




Interancionales18

AccesoAcceso MMltiple ltiple porporDivisiDivisinn de Tiempo (TDMAde Tiempo (TDMA) )

TF

TB

A

B

C Rb

B

F

b

T

TRR

A

B

CA, B, C

Hub

Portadora entrante TDMA

(Inbound)

Portadora saliente TDM

(Outbound)

C




Interancionales19

TDM/TDMA TDM/TDMA CaracterCaractersticassticas

Topologa estrella Hub remotas.

Portadora saliente muy eficiente (alta eficiencia espectral).

Gran capacidad de la portadora saliente.

Estaciones remotas pequeas y econmicas.

No permite topologa malla, o permite malla parcial con portadoras poco

eficientes.

Baja calidad de la comunicacin oral entre dos remotas, causada por

doble salto satelital a travs del Hub: RTT (Round-Trip-Time) # 4 u 125 mseg = 500 mseg.

Hub costoso.

Alta inversin inicial para una red pequea.

Punto nico de falla.

VentajasVentajas

DesventajasDesventajas




Interancionales20

Red Red TDMA (hubless)TDMA (hubless)

Todas las estaciones

acceden a una misma

portadora.

No existen una portadora

saliente y otra entrante.

La topologa de la red es

mesh: todas las estaciones

comunican entre s.

Una estacin acta como

referencia para

sincronismo, control y

gestin de toda la red.

Desde el punto de vista de

trfico, es similar a todas

las dems estaciones.

Todas las estaciones

deben transmitir y recibir a

la velocidad de la portadora

nica, lo que exige antenas

y SSPAs de mayor tamao.

Satlite

Estacin 1

Estacin 2

Estacin N

IDU

PABX

IDU

IDU

Transceptor VHF




Interancionales21

TramaTrama TDMA en unaTDMA en unaRed Red HublessHubless

Master

slot Request slots Data Slots

M 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 2 3 ... 80

M 10 18 1 2 3 ... 80

M 19 27 ...

M 28 36 1 2 3 ... 80

Superframe

Frame

Master Slot:

El primer TS en cada trama es usado por la

estacin maestra para transmitir el plan de

transmisin. Todas las estaciones de la red

deben estar en recepcin sintonizadas a la

frecuencia del canal maestro.

Request Slots:

Las estaciones esclavas

transmiten sus requerimientos

de capacidad a la maestra.

Cada estacin enva a lo sumo

un requerimiento por trama.

ste es un ejemplo de organizacin de la portadora TDMA en un sistema comercial real.

Data Slots:

Este conjunto de ranuras

temporales es la carga til de la

portadora. Esta capacidad se

organiza segn clases de trfico

como se muestra en la lmina

siguiente.




Interancionales22

AsignaciAsignacin Dinn Dinmica demica deCapacidad en la TramaCapacidad en la Trama TDMATDMA

Master


useg

Bytes

M 5 12

M 5 2 12 7 10

M 2 5 2 12 7 10 7 5 12

M 2 5 2 12 7 10 7 5 12

Rfaga de referencia y plan de transmisin

Asignacin fija a cada estacin

Best effort

Prioridad media (Ej, FR)

Prioridad alta (voz, video)

Superframe

Frame

Reserva y Asignacin de Capacidad de TransmisinThroughput permanente (stream request): Para voz, video y aplicaciones en

tiempo real. Se traduce en un nmero fijo de TS por trama.

Throughput garantizado: Capacidad que la estacin puede reservar en cualquier

circunstancia. Los TS no estn reservados en forma permanente, sino slo cuando la

estacin los requiere. Para asegurar un valor de CIR.

Throughput disponible: Si hay TS disponibles, se asignan a estaciones que tienen

demanda en exceso (EIR).

Best Effort: Si quedan TS libres, se asignan a estaciones que tienen demanda de

baja prioridad.




Interancionales23

Portadoras TDMA MPortadoras TDMA Mltiplesltiples

Master


Portadora 1 Rx: f1

Portadora 2 Rx: f2

Portadora 3 Rx: f3

Tx: f1 Tx: f1 Tx: f1 Tx: f2 Tx: f3 Tx: f1 Tx: f2 Tx: f3 Tx: f3

Rx: f1

Frame

Con una sola portadora, para expandir la capacidad de la red, puede ser necesario cambiar RF y/o antena.

Cuando el trfico de la red es tal que no puede ser soportado por una nica portadora, es necesario agregar portadoras.

As, se puede expandir la red sin cambiar RF o antena de estaciones existentes.

La red puede tener hasta 32 canales de frecuencia con capacidades de hasta 8 Mbit/s cada uno.

Cada estacin se asigna a un canal determinado. Puede transmitir en la frecuencia de cualquier canal, pero slo recibe

trfico en la frecuencia de su canal.

En el intervalo de tiempo de Master Slot, todas las estaciones sintonizan su recepcin en f1, para recibir la sincronizacin

y plan de transmisin de la maestra.

Todos los requerimientos de capacidad se transmiten a la frecuencia f1.




Interancionales24

TDMA TDMA hublesshublessCaracterCaractersticassticas

Topologa malla completa.

Arquitectura descentralizada: No hay un Hub nico.

No hay un punto nico de falla.

Todas las estaciones tienen el mismo hardware.

Cualquier estacin puede ser la estacin de referencia.

Se pueden definir estaciones de referencia primaria y secundaria. La secundaria asume el control automticamente si falla la primaria.

Salto nico satelital entre dos estaciones cualesquiera Buena calidad de comunicacin oral: RTT # 2 u 125 mseg = 250 mseg.

Capacidad a demanda (BoD): Bajo costo de operacin

Un modem (IDU) por estacin: Bajo costo de capital.

El costo es bsicamente proporcional a N (y no a N2 como SCPC).

Baja inversin inicial para una red pequea.

Estaciones de tamao y costo algo mayor que en una red TDM/TDMA con Hub.

VentajasVentajas

Des

vent

aja

Des

vent

aja




Interancionales25

TDMA TDMA hublesshublessAncho de Banda a DemandaAncho de Banda a Demanda

BoD - Bandwidth on Demand: Ancho de Banda a Demanda

Funciones de asignacin BoD en el nodo de referencia

primaria/secundaria: Servidor BoD.

No requiere hardware especial. Cualquier estacin puede ser el servidor BoD.

Ancho de banda asignado sobre la base de parmetros CIR

(committed IR), EIR (excess IR) fijados para cada estacin.

La estacin tiene ancho de banda para cumplir CIR y puede obtener

ancho de banda adicional hasta una velocidad mxima CIR + EIR.

Las reglas CIR, EIR son fijadas por el operador, para cada estacin.

Se puede asignar ancho de banda permanente (similar a SCPC =

clear channel).




Interancionales26

TDMA TDMA hublesshublessAncho de Banda a DemandaAncho de Banda a DemandaEspinosa 1045 (C1405AMM) Buenos Aires ARGENTINAwww.ses.com.ar Tel. +54 11 5453 0000 Fax +54 11 5453 8464

Ejemplo de aplicacin: Transmisin de datos radar sincrnicos por red

satelital IP.

SES SISTEMAS ELECTRNICOS S.A. provee a la Addministracin de Aviacin Civil Argentina

(ANAC) todas las conexiones satelitales para

datos radar sincrnicos / IP entre los sensores

radar y ACCs de todo el pas. Los enlaces son

clear channel, sin efectos de jitter, con interfaces sincrnicas / IP.


Interancionales27

TDMA TDMA hublesshubless TCP/IPTCP/IP

Aceleracin TCP en todas las estaciones.

Compresin de encabezado/contenido TCP.

Interfaz IP nativa.

Ruteo IP en la IDU.

Soporte de subredes. Definicin de mscaras de subred.

Calidad de servicio (QoS) por direcciones, por tipo de servicio (TOS) -

DiffServ.

Fragmentacin y re-armado de paquetes para mantener retardos

estables y reducir jitter.

Direccionamiento IP: ARP, RARP, direcciones estticas.




Interancionales28

TDMA TDMA hublesshubless TelefonTelefona IPa IP

Prioridad de trfico VoIP: reduce retardo.

Fragmentacin de paquetes grandes: Reduce varianza del retardo.

Otras aplicaciones (ej., transferencia de archivos), no afectan

llamadas en curso.

Asignacin dinmica de ancho de banda por llamada.

Prioridad para mensajes de establecimiento y corte de llamada.

Soporte de SIP y H.323.

Funcionamiento con equipos VoIp standard comerciales.

Alta calidad y confiabilidad para aplicaciones crticas.




Interancionales29

TDMA TDMA hublesshubless TelefonTelefona IPa IPEspinosa 1045 (C1405AMM) Buenos Aires ARGENTINAwww.ses.com.ar Tel. +54 11 5453 0000 Fax +54 11 5453 8464

Ejemplo de aplicacin: Comunicacin oral piloto-controlador por VHF,

transportada por red satelital IP.

SES SISTEMAS ELECTRNICOS S.A. provee a la Administracin de Aviacin Civil Argentina

(ANAC) conexiones satelitales para

comunicaciones orales piloto controlador por

VHF, confiables, sin errores de timing entre sealizacin y modulacin por voz.

Satlite

IDU

IDU

Transceptor

VHF

Gateway VoIP

E&M

Gateway VoIP


Interancionales30

TDMA TDMA hublesshublessRedes InternacionalesRedes Internacionales

Satlite

Estacin 1

Estacin 2

Estacin N

IDU

PABX

IDU

IDU

Transceptor VHF




Interancionales31

ConclusionesConclusiones Las redes TDMA hubless son la mejor solucin para redes

internacionales para aplicaciones de proteccin al vuelo. Todas las estaciones son iguales. No hay un hub. No hay un punto nico de falla. Se pueden agregar o quitar estaciones sin afectar al resto de la

red. La red en malla permite salto simple satelital entre dos estaciones

cualesquiera, imprescindible para las comunicaciones telefnicas y orales piloto-controlador.

Tecnologa madura y probada. Para asegurar tales caractersticas a un costo razonable, la

tecnologa debe tener Alta eficiencia espectral. Codificacin LDPC, TPC. Amplias facilidades para BoD, QoS, ruteo IP, aceleracin TCP, FH,

codificacin LDPC/Turbo




Interancionales32



Muchas gracias por

su atencin!

Muchas gracias por

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