TELEDESIC - Internet-in-the-Sky
Несколько лет назад по поводу проекта компании Teledesic было много шума. Она собиралась создать глобальную систему широкополосного спутникового Интернет-доступа, в которой связь обеспечивали бы более шести десятков спутников, находящихся на средних околоземных орбитах. В этом проекте поучаствовал своими финансами даже сам Билл Гейтс.
Teledesic потратила несколько сотен миллионов долларов на разработку концепции своей системы глобальной спутниковой связи, и была получена лицензия на организацию на частоте 1 ГГц глобальной системы связи с использованием негеостационарных спутников. Правда, по ходу дела количество требуемых спутников сократилось до тридцати. В начале 2002 года Teledesic заключила контракт с итальянской компанией Alenia Spazio на постройку двух первых из них.
Однако, теперь выясняется, что реализация этого проекта откладывается на неопределенное время. Периодические потрясения на финансовых рынках, и скандалы, связанные с махинациями в крупнейших американских компаниях, в том числе телекоммуникационных, не прошли даром. Недавно Teledesic объявила о разрыве контракта с Alenia и увольнении большей части своего персонала. В пресс-релизе по этому поводу было сказано, что Teledesic по-прежнему уверена в том, что ее спутниковая система была бы полезна всем странам мира, что она обеспечила бы широкополосной связью те три миллиарда жителей Земли, у которых никогда такой связи не было. Но ситуация на рынке сейчас такова, что компания не может себе позволить те затраты, которые требуются для постройки и запуска спутников в сроки, оговоренные Федеральной комиссией по связи США и Международным телекоммуникационным союзом.
Однако, как бы ни сложилась ситуация с Teledesic в дальнейшем, не стоит недооценивать перспективность, можно даже сказать, революционность, некоторых идей, положенных в основу этого проекта. Поэтому мы решили предложить вашему вниманию материал, раскрывающий некоторые технические детали проекта. Посудите сами: если работа над Teledesic возродится, эта информация может оказаться полезной и с практической точки зрения. Ну а если нет, воспринимайте это как познавательное научно-фантастическое чтиво :)
общие сведения
В рамках проекта Teledesic первоначально планировалось задействовать до 840 низкоорбитальных спутников, затем эта цифра снизилась до 288, по последним данным — до тридцати. При этом каждый спутник сможет обмениваться данными по каналам межспутниковой связи ISL (Intersatellite Links, ISL) с восемью своими ближайшими соседями. Скорость обмена в канале ISL будет достигать 155,52 Мбит/с, а при использовании нескольких спутников она может быть увеличена до 1,24416 Гбит/с. Конструкция спутников Teledesic совместима с более чем двадцатью существующими на сегодняшний день ракетными системами вывода на околоземную орбиту.
Рис.1 Обмен данными по каналам межспутниковой связи.
В техническом описании проекта указано, что клиентская скорость передачи данных в сети Teledesic будет составлять от 16 кбит/с до 2,048 Мбит/с (стандарт Е1), а в специальных случаях — до 1,24416 Гбит/с (стандарт ОС-24). Разработчики сравнивают качество работы будущей сети с качеством оптоволоконных каналов. Общая пропускная способность Teledesic будет эквивалентна 1 млрд. дуплексных каналов Е1.
Информационная емкость системы Teledesic измеряется в так называемых базовых каналах. Базовый канал обеспечивает пропускную способность 16 кбит/с, а также имеет выделенный канал контроля и управления со скоростью 2 кбит/с (D-channel). Базовый канал может наращиваться для поддержки более высоких скоростей передачи данных. Например, восемь базовых каналов образуют канал, эквивалентный каналу ISDN BRI (2В+D), а 97 каналов эквивалентны каналу Т-1.
технология сети
Для обмена данными внутри сети Teledesic будет использоваться технология пакетной коммутации. Суть ее заключается в том, что любая информация, передаваемая по сети, разбивается на пакеты фиксированной длины — 512 бит. Каждый пакет имеет следующие разделы: поле заголовка, содержащее конечный адрес и некоторую сопутствующую информацию; поле контроля ошибок, по которому проверяется целостность заголовка; и, наконец, тело пакета, содержащее сами данные. Поступающие на терминалы данные формируются в пакеты, после чего отправляются на спутник.
Для того чтобы увеличить скорость прохождения пакетов информации по сети Teledesic, была разработана технология интеллектуальной маршрутизации (Adaptive Routing). Ее алгоритм подразумевает, что каждый отдельный пакет данных передается между спутниками по тем каналам связи, которые на данный момент работают с максимальной скоростью.
Так как спутники движутся относительно друг друга и поверхности Земли, топология сети Teledesic постоянно меняется — образуются новые каналы связи, а старые каналы разрываются. Как следствие, пакеты, на которые была разбита информация, будут следовать по разным маршрутам с разной скоростью и попадать в буфер терминала в произвольной последовательности. Оконечный терминал накопит пакеты в буфере, затем, используя информацию заголовков, перегруппирует их в нужном порядке и передаст конечному пользователю.
наземные терминалы
Терминалы служат для обеспечения связи спутника с Землей. Их предполагается выпускать в двух модификациях — переносные и стационарные. Стандартный терминал поддерживает каналы связи со скоростью обмена данными от 16 кбит/с (базовая величина) до 2,048 Мбит/с (что эквивалентно 128 базовым каналам). При этом терминал может одновременно обслуживать несколько разных сетевых соединений и работать с различной скоростью при передаче и при приеме данных. В составе Teledesic предусмотрены и высокоскоростные терминалы на 155,52 Мбит/с (стандарт ОС-3) и 1,24416 Гбит/с (стандарт ОС-24) — последний называется гигабитным терминалом (GigaLink Terminals). Подобные устройства могут быть шлюзами к другим сетям, а также использоваться в центрах управления спутниковой сетью Teledesic.
Каждый терминал оснащается антенной и передатчиком. Диаметр антенны составит от 16 см до 1,8 м, а мощность передатчика от 0,01 до 4,7 Вт (для высокоскоростных терминалов — от 1 до 49 Вт). Выбор конкретных рабочих параметров этих устройств зависит от того, с какой скоростью планируется передавать данные, от требований надежности и от погодных условий в регионе.
В функции терминала входит регистрация и распознавание пользователей, шифрование/дешифрование передаваемых данных, контроль качества каналов связи, контроль доступа и надежности, управление D-линией канала. Помимо этого, они контролируют мощность сигнала, излучаемого передатчиком, и регулируют ее исходя из погодных условий — например, при ясной погоде мощность будет минимальной, а при плохих погодных условиях (облачность, дождь), для увеличения надежности связи, мощность сигнала будет увеличиваться.
зоны обслуживания
В рамках системы Teledesic вся земная поверхность условно делится на фиксированные участки (около 20 тысяч) размером 160х160 км, каждый из которых в свою очередь состоит из девяти сот. Один спутник может одновременно обслуживать до 64 больших участков (то есть 576 малых) с поддержкой до 128 тыс. базовых каналов на одну соту. Реальное число обслуживаемых участков зависит от положения спутника на орбите. Фактически, он работает с наземными терминалами, попадающими в зону его передающего луча, при этом на отдельных участках спутник может работать только с теми терминалами, которые ему доступны. Связь с терминалами поддерживается таким образом, чтобы компенсировать движение спутника относительно Земли.
Рис.2 Деление земной поверхности на фиксированные участки.
Каждый спутник содержит внутреннюю базу данных, где хранится информация о наземных терминалах каждого обслуживаемого участка, а также данные о местности, работа над которой запрещена из-за наличия каких-либо секретных государственных объектов (например, военных баз и др.). В функции спутников также входит контроль качества связи с Землей, а также контроль мощности сигнала наземного терминала.
Рис. 3. Связь с терминалами.
разграничение доступа
Спутник не может одновременно обмениваться данными со всеми терминалами, расположенными на большом участке, поэтому требуется разграничить их доступ к каналам передачи информации. Для этого используется технология множественного доступа, разделенного по времени (TDMA — Time Division Multiple Access). Каждому из девяти малых участков, входящих в состав одного большого, присваивается номер (от 1 до 9) и выделяется, соответственно, один из девяти временных интервалов. В течение этого интервала местным терминалам малого участка доступен радиоканал с полной полосой пропускания. Пролетая над большим участком, спутник обменивается данными по очереди с каждым из девяти малых участков.
Передача данных от терминала к спутнику (uplink) происходит с использованием технологии множественного доступа с разделением частоты (FDMA, Frequency Division Multiple Access), а в обратном направлении (downlink) — с использованием технологии множественного доступа с асинхронным разделением времени (ATDMA, Asynchronous Time Division Multiple Access). При передаче данных каждый активный терминал занимает один или несколько частотных интервалов из выделенного спутнику диапазона частот. Число интервалов зависит от скорости передачи данных. Один частотный интервал соответствует базовой каналу передачи данных: 16 кбит/с (данные) плюс 2 Кбит/с (управляющие сигналы). Всего на одном малом участке доступно 1800 частотных интервалов. Для того чтобы исключить наложение данных, передаваемых с разных участков, после приема информации с одного участка и перед переключением на другой проходит некоторое время ожидания.
Прием данных, осуществляемый по технологии ATDMA, происходит следующим образом: в течение временного интервала, отведенного на прием, со спутника на Землю передается 1800 пакетов, адресованных терминалам внутри области. Каждый терминал принимает все переданные пакеты, а затем по полю заголовка определяет, какой из пакетов адресован именно ему. Пакеты передаются на терминалы в той последовательности, в какой они получены спутником.
контроль и управление сетью
Основной контроль и управление сетью Teledesic предполагается осуществлять со специальной наземной станции, соединенной гигабитным каналом с сетью спутников. На станции будет содержаться база данных с информацией, необходимой для администрирования и управления сетью Teledesic: списком действующих терминалов, их параметрами, ключами аутентификации, криптографическими ключами, данными о маршрутизации вызовов и некоторой другой информацией. По всей видимости, к этой базе получат доступ все национальные операторы Teledesic — для контроля своих местных терминалов.
Управление работой оборудования сети будет осуществляться по выделенному каналу управления (двухкилобитная D-линия в базовом канале). Передаваться "управляющие" пакеты будут наравне с информационными. Контроль за прохождением данных по спутниковой сети будет осуществляться еще и на самих спутниках, дополнительно к интеллектуальной маршрутизации.
Сигналы вызова будут контролировать специальные системы (в оригинале они названы процессорами) и коммутаторы сетевых шлюзов. Процессоры предназначены для управления внутрисетевыми вызовами и для адресации вызовов, поступающих через шлюзы из внешних сетей, а коммутаторы будут оперировать с вызовами, направленными в другие сети.
Teledesic потратила несколько сотен миллионов долларов на разработку концепции своей системы глобальной спутниковой связи, и была получена лицензия на организацию на частоте 1 ГГц глобальной системы связи с использованием негеостационарных спутников. Правда, по ходу дела количество требуемых спутников сократилось до тридцати. В начале 2002 года Teledesic заключила контракт с итальянской компанией Alenia Spazio на постройку двух первых из них.
Однако, теперь выясняется, что реализация этого проекта откладывается на неопределенное время. Периодические потрясения на финансовых рынках, и скандалы, связанные с махинациями в крупнейших американских компаниях, в том числе телекоммуникационных, не прошли даром. Недавно Teledesic объявила о разрыве контракта с Alenia и увольнении большей части своего персонала. В пресс-релизе по этому поводу было сказано, что Teledesic по-прежнему уверена в том, что ее спутниковая система была бы полезна всем странам мира, что она обеспечила бы широкополосной связью те три миллиарда жителей Земли, у которых никогда такой связи не было. Но ситуация на рынке сейчас такова, что компания не может себе позволить те затраты, которые требуются для постройки и запуска спутников в сроки, оговоренные Федеральной комиссией по связи США и Международным телекоммуникационным союзом.
Однако, как бы ни сложилась ситуация с Teledesic в дальнейшем, не стоит недооценивать перспективность, можно даже сказать, революционность, некоторых идей, положенных в основу этого проекта. Поэтому мы решили предложить вашему вниманию материал, раскрывающий некоторые технические детали проекта. Посудите сами: если работа над Teledesic возродится, эта информация может оказаться полезной и с практической точки зрения. Ну а если нет, воспринимайте это как познавательное научно-фантастическое чтиво :)
общие сведения
В рамках проекта Teledesic первоначально планировалось задействовать до 840 низкоорбитальных спутников, затем эта цифра снизилась до 288, по последним данным — до тридцати. При этом каждый спутник сможет обмениваться данными по каналам межспутниковой связи ISL (Intersatellite Links, ISL) с восемью своими ближайшими соседями. Скорость обмена в канале ISL будет достигать 155,52 Мбит/с, а при использовании нескольких спутников она может быть увеличена до 1,24416 Гбит/с. Конструкция спутников Teledesic совместима с более чем двадцатью существующими на сегодняшний день ракетными системами вывода на околоземную орбиту.
Рис.1 Обмен данными по каналам межспутниковой связи.
В техническом описании проекта указано, что клиентская скорость передачи данных в сети Teledesic будет составлять от 16 кбит/с до 2,048 Мбит/с (стандарт Е1), а в специальных случаях — до 1,24416 Гбит/с (стандарт ОС-24). Разработчики сравнивают качество работы будущей сети с качеством оптоволоконных каналов. Общая пропускная способность Teledesic будет эквивалентна 1 млрд. дуплексных каналов Е1.
Информационная емкость системы Teledesic измеряется в так называемых базовых каналах. Базовый канал обеспечивает пропускную способность 16 кбит/с, а также имеет выделенный канал контроля и управления со скоростью 2 кбит/с (D-channel). Базовый канал может наращиваться для поддержки более высоких скоростей передачи данных. Например, восемь базовых каналов образуют канал, эквивалентный каналу ISDN BRI (2В+D), а 97 каналов эквивалентны каналу Т-1.
технология сети
Для обмена данными внутри сети Teledesic будет использоваться технология пакетной коммутации. Суть ее заключается в том, что любая информация, передаваемая по сети, разбивается на пакеты фиксированной длины — 512 бит. Каждый пакет имеет следующие разделы: поле заголовка, содержащее конечный адрес и некоторую сопутствующую информацию; поле контроля ошибок, по которому проверяется целостность заголовка; и, наконец, тело пакета, содержащее сами данные. Поступающие на терминалы данные формируются в пакеты, после чего отправляются на спутник.
Для того чтобы увеличить скорость прохождения пакетов информации по сети Teledesic, была разработана технология интеллектуальной маршрутизации (Adaptive Routing). Ее алгоритм подразумевает, что каждый отдельный пакет данных передается между спутниками по тем каналам связи, которые на данный момент работают с максимальной скоростью.
Так как спутники движутся относительно друг друга и поверхности Земли, топология сети Teledesic постоянно меняется — образуются новые каналы связи, а старые каналы разрываются. Как следствие, пакеты, на которые была разбита информация, будут следовать по разным маршрутам с разной скоростью и попадать в буфер терминала в произвольной последовательности. Оконечный терминал накопит пакеты в буфере, затем, используя информацию заголовков, перегруппирует их в нужном порядке и передаст конечному пользователю.
наземные терминалы
Терминалы служат для обеспечения связи спутника с Землей. Их предполагается выпускать в двух модификациях — переносные и стационарные. Стандартный терминал поддерживает каналы связи со скоростью обмена данными от 16 кбит/с (базовая величина) до 2,048 Мбит/с (что эквивалентно 128 базовым каналам). При этом терминал может одновременно обслуживать несколько разных сетевых соединений и работать с различной скоростью при передаче и при приеме данных. В составе Teledesic предусмотрены и высокоскоростные терминалы на 155,52 Мбит/с (стандарт ОС-3) и 1,24416 Гбит/с (стандарт ОС-24) — последний называется гигабитным терминалом (GigaLink Terminals). Подобные устройства могут быть шлюзами к другим сетям, а также использоваться в центрах управления спутниковой сетью Teledesic.
Каждый терминал оснащается антенной и передатчиком. Диаметр антенны составит от 16 см до 1,8 м, а мощность передатчика от 0,01 до 4,7 Вт (для высокоскоростных терминалов — от 1 до 49 Вт). Выбор конкретных рабочих параметров этих устройств зависит от того, с какой скоростью планируется передавать данные, от требований надежности и от погодных условий в регионе.
В функции терминала входит регистрация и распознавание пользователей, шифрование/дешифрование передаваемых данных, контроль качества каналов связи, контроль доступа и надежности, управление D-линией канала. Помимо этого, они контролируют мощность сигнала, излучаемого передатчиком, и регулируют ее исходя из погодных условий — например, при ясной погоде мощность будет минимальной, а при плохих погодных условиях (облачность, дождь), для увеличения надежности связи, мощность сигнала будет увеличиваться.
зоны обслуживания
В рамках системы Teledesic вся земная поверхность условно делится на фиксированные участки (около 20 тысяч) размером 160х160 км, каждый из которых в свою очередь состоит из девяти сот. Один спутник может одновременно обслуживать до 64 больших участков (то есть 576 малых) с поддержкой до 128 тыс. базовых каналов на одну соту. Реальное число обслуживаемых участков зависит от положения спутника на орбите. Фактически, он работает с наземными терминалами, попадающими в зону его передающего луча, при этом на отдельных участках спутник может работать только с теми терминалами, которые ему доступны. Связь с терминалами поддерживается таким образом, чтобы компенсировать движение спутника относительно Земли.
Рис.2 Деление земной поверхности на фиксированные участки.
Каждый спутник содержит внутреннюю базу данных, где хранится информация о наземных терминалах каждого обслуживаемого участка, а также данные о местности, работа над которой запрещена из-за наличия каких-либо секретных государственных объектов (например, военных баз и др.). В функции спутников также входит контроль качества связи с Землей, а также контроль мощности сигнала наземного терминала.
Рис. 3. Связь с терминалами.
разграничение доступа
Спутник не может одновременно обмениваться данными со всеми терминалами, расположенными на большом участке, поэтому требуется разграничить их доступ к каналам передачи информации. Для этого используется технология множественного доступа, разделенного по времени (TDMA — Time Division Multiple Access). Каждому из девяти малых участков, входящих в состав одного большого, присваивается номер (от 1 до 9) и выделяется, соответственно, один из девяти временных интервалов. В течение этого интервала местным терминалам малого участка доступен радиоканал с полной полосой пропускания. Пролетая над большим участком, спутник обменивается данными по очереди с каждым из девяти малых участков.
Передача данных от терминала к спутнику (uplink) происходит с использованием технологии множественного доступа с разделением частоты (FDMA, Frequency Division Multiple Access), а в обратном направлении (downlink) — с использованием технологии множественного доступа с асинхронным разделением времени (ATDMA, Asynchronous Time Division Multiple Access). При передаче данных каждый активный терминал занимает один или несколько частотных интервалов из выделенного спутнику диапазона частот. Число интервалов зависит от скорости передачи данных. Один частотный интервал соответствует базовой каналу передачи данных: 16 кбит/с (данные) плюс 2 Кбит/с (управляющие сигналы). Всего на одном малом участке доступно 1800 частотных интервалов. Для того чтобы исключить наложение данных, передаваемых с разных участков, после приема информации с одного участка и перед переключением на другой проходит некоторое время ожидания.
Прием данных, осуществляемый по технологии ATDMA, происходит следующим образом: в течение временного интервала, отведенного на прием, со спутника на Землю передается 1800 пакетов, адресованных терминалам внутри области. Каждый терминал принимает все переданные пакеты, а затем по полю заголовка определяет, какой из пакетов адресован именно ему. Пакеты передаются на терминалы в той последовательности, в какой они получены спутником.
контроль и управление сетью
Основной контроль и управление сетью Teledesic предполагается осуществлять со специальной наземной станции, соединенной гигабитным каналом с сетью спутников. На станции будет содержаться база данных с информацией, необходимой для администрирования и управления сетью Teledesic: списком действующих терминалов, их параметрами, ключами аутентификации, криптографическими ключами, данными о маршрутизации вызовов и некоторой другой информацией. По всей видимости, к этой базе получат доступ все национальные операторы Teledesic — для контроля своих местных терминалов.
Управление работой оборудования сети будет осуществляться по выделенному каналу управления (двухкилобитная D-линия в базовом канале). Передаваться "управляющие" пакеты будут наравне с информационными. Контроль за прохождением данных по спутниковой сети будет осуществляться еще и на самих спутниках, дополнительно к интеллектуальной маршрутизации.
Сигналы вызова будут контролировать специальные системы (в оригинале они названы процессорами) и коммутаторы сетевых шлюзов. Процессоры предназначены для управления внутрисетевыми вызовами и для адресации вызовов, поступающих через шлюзы из внешних сетей, а коммутаторы будут оперировать с вызовами, направленными в другие сети.
По материалам реферата слушателя 4-го курса ИКСИ, научный руководитель — Сергей Кунегин.
Сетевые решения. Статья была опубликована в номере 05 за 2003 год в рубрике технологии
