Система ViaSat ArcLight – полное решение для мобильного широкополосного доступа на воздушном, морском и наземном транспорте

Несмотря на то, что широкополосный доступ в Интернет становится все более распространенным в домах и офисах, до недавнего времени в глобальном или региональном масштабе пассажиры на транспорте могли получать только услуги доступа, предоставляемые низкоскоростными системами L-диапазона. Система ArcLight компании ViaSat устраняет этот перекос, реализуя двунаправленный широкополосный канал связи между Интернетом и терминалами на разнообразных мобильных платформах (видах транспорта) с помощью одной или более земных станций. Данная система предоставляет поистине широкополосные услуги, давая возможность пользователям осуществлять высокоскоростной доступ к электронной почте, Интернету и корпоративным виртуальным частным сетям (VPN) из коммерческих и частных самолетов и судов, а также из наземных транспортных средств. Экипажи самолетов и судов тоже могут воспользоваться этими услугами, например, для решения различных организационных и логистических вопросов и выполнения других не являющихся критически важными функций, включая отправку заявок на техническое обслуживание.

Описание системы

Широкополосная интерактивная система ArcLight состоит из центрального коммуникационного узла (хаба) и многочисленных мобильных терминалов компании ViaSat (ViaSat Mobile Terminals – VMT), в которых имеются мобильные широкополосные маршрутизаторы ViaSat (ViaSat Mobile Broadband Routers – VMBR). В хабе ArcLight стандартное передающее и приемное оборудование удачно сочетается с революционными фирменными технологиями ViaSat для предоставления широкополосного спутникового доступа в сети с топологией типа «звезда». ArcLight представляет собой IP-сеть, предназначенную для трансляции контента Интернета и интранета на пользовательское оборудование (обычно это ноутбуки).

К революционным фирменным технологиям компании ViaSat, реализованным в системе ArcLight, относятся технология эффективного многоскоростного прямого канала с адаптивными кодированием, расширением спектра и модуляцией сигнала (Adaptive Coding Spreading and Modulation – ACSM), а также технологии Code Reuse Multiple Access (CRMA) и Asymmetric Paired Carrier Multiple Access (A-PCMA).

Основные характеристики ArcLight:
• Простые архитектура и принципы функционирования сети, администрирование которой основано на передаче фирменных UDP-сообщений для управления терминалами VMT и многочисленными хабами (в глобальной сети) и использовании стандартного протокола Simple Network Management Protocol (SNMP).
• Многоскоростной прямой канал с ACSM, поддерживающий скорость передачи данных от 500 Кбит/с до 90 Мбит/с и уменьшающий негативное влияние временного блокирования связи.
• Обратный канал с технологией CRMA и динамическим регулированием скорости – от 32 до 1024 кбит/с.
• Не требуется координация частоты или времени для передачи сигнала в любом направлении.
• Эффективное использование частотного ресурса благодаря применению технологии A-PCMA
• Регулировка мощности сигнала в обратном канале (Uplink Power Control –UPC) для борьбы с изменениями уровня сигнала.
• Управление загрузкой сети (Congestion Control) для обеспечения соответствия регуляторным требованиям по внеосевой плотности ЭИИМ.
• Способность поддерживать многочисленные типы антенн в одной сети.
• Автоматическое переключение терминалов с одного спутника на другой в разных регионах, что позволило реализовать единую глобальную сеть AGNet (ArcLight Global Network).

Архитектура и принципы функционирования системы

Топология сети ArcLight показана на рис. 1. При работе в одном спутниковом луче эта сеть состоит из одного хаба, передающего данные на высокой скорости (прямой канал), и многочисленных удаленных терминалов VMT, передающих данные на небольших скоростях (обратные каналы). Как уже говорилось, сеть ArcLight имеет топологию типа «звезда», а значит, VMT всегда взаимодействуют с хабом и даже, если они пересылают информацию друг другу, то делают это только через хаб.

Рис. 1. Топология сети ArcLight

Хаб выполняет следующие основные функции: передает через спутник единый широковещательный прямой канал (используя модулятор прямого канала, Forward Link Modulator – FLM) терминалам VMT, в принятом со спутника сигнале подавляет сигнал прямого канала (с помощью PCMA-компенстора хаба, PCMA Hub Canceller – PCMAHC), демодулирует CRMA-сигналы от VMT и обеспечивает связь с Интернетом и/или корпоративными сетями. В хабе также имеется система сетевого управления (Network Management System – NMS), которая предоставляет оператору функции управления сетью.

Терминалы VMT системы ArcLight принимают от хаба широковещательный сигнал прямого канала, передают CRMA-сигналы обратных каналов и поддерживают высокоскоростной обмен IP-данными с подсоединенными к ним локальными сетями. Подключенные к такой локальной сети пользовательские устройства отправляют IP-трафик, адресованный в Интернет или корпоративную сеть, терминалу VMT, который транслирует его через спутник (по CRMA-каналу) демодулятору хаба на скорости от 32 до 1024 кбит/с. Каждый VMT передает одну несущую с заранее определенной скоростью. Многоканальный коррелятор-демодулятор хаба (Multi Correlator Demodulator – MCD) обнаруживает и демодулирует сигналы терминалов и повторно собирает IP-пакеты (из передаваемых терминалами ячеек, в которые инкапсулированы IP-данные), а затем направляет их в подсистему маршрутизации хаба, которая отсылает принятые пакеты по назначению.

И еще. В хабе имеется система сетевого управления реального времени (Real-time NMS), управляющая параметрами работы терминалов и загрузкой сети.

Фирменный протокол Management Download Protocol (MDLP) компании ViaSat, который представляет собой протокол прикладного уровня, работающий поверх протокола UDP, используется для конфигурирования и модернизации ПО терминалов VMT. Широковещательные механизмы обеспечивают эффективную передачу ПО многочисленным VMT одновременно.

В качестве центрального узла управления всеми или несколькими сетями ArcLight используется единый сетевой операционный центр (Network Operations Center – NOC) с главной NMS, обеспечивающей функционирование глобальной сети AGNet.

Эффективный прямой канал с ACSM

В сети ArcLight прямой канал имеет многоскоростной физический уровень с возможностями ACSM и функциями, уменьшающими негативное влияние изменения уровня сигнала и его временного блокирования. Прямой канал занимает полосу частот шириной от 1,5 до 36 МГц и имеет пропускную способность от 500 кбит/с до 90 Мбит/с, передавая сигналы с расширенным и не расширенным спектром.

Сеть ArcLight поддерживает множество разных мобильных платформ, которым нужны терминалы с антеннами разных размеров. Терминалы для коммерческих авиалайнеров, легких самолетов, поездов, яхт, автотранспорта и вертолетов имеют антенны размером от менее 30 см до более 1 м. В результате, разные модели терминалов способны принимать данные (по прямому каналу) с разной максимальной скоростью. Кроме того, максимальная скорость приема зависит от местонахождения терминала (в центре зоны покрытия спутника или на ее краю) и текущих погодных условий (дождь ослабляет передаваемый сигнал), и она может изменяться при перемещении терминала по зоне действия сети ArcLight. Функциональность ACSM обеспечивает каждому терминалу максимально возможную скорость приема данных в соответствии с его типом, местонахождением и погодными условиями.

Также в прямом канале сети ArcLight используются технологии, уменьшающие негативное влияние временного блокирования сигнала и позволяющие пользователям в поездах, автомобилях и вертолетах эффективно работать, несмотря на случайное или периодическое затенение антенны мобильного терминала деревьями, домами или движущимися лопастями вертолетного винта.

A-PCMA

Применение технологии A-PCMA позволяет значительно (до двух раз) увеличить емкость спутниковой системы, передавая высокоскоростной поток от хаба (прямой канал) и низкоскоростные потоки от VMT (обратные каналы) в одной и той же полосе частот одновременно. Это показано на рис. 2.

Рис. 2. Повторное использование частот с помощью технологии A-PCMA

Хаб передает высокомощный сигнал прямого канала, а терминалы VMT – маломощные CRMA-сигналы обратных каналов, и все они распределены по одной и той же полосе частот. При приеме мощного сигнала прямого канала мобильным терминалом низкоуровневые помехи от CRMA-сигналов не влияют на работу приемника терминала. Отношение сигнал шум на входе приемника достаточно высоко для точной демодуляции сигнала (см. рис. 3).

Рис. 3. Уровни сигналов при использовании технологии A-PCMA

Совсем другая ситуация при приеме сигналов на хабе, где принимаемые CRMA-сигналы оказываются «погребенными» под мощным сигналом прямого канала. Для их приема необходимо проводить специальную цифровую обработку, повышающую отношение сигнал/шум. Суть ее состоит в удалении мощного сигнала прямого канала. Эта обработка очень похожа на эхоподавление, осуществляемое в каналах голосовой связи. В хабе переданный мощный сигнал задерживается и пропускается через процессор, который моделирует ухудшение параметров сигнала, происходящее при его (сигнала) прохождении до спутника (uplink), через спутник и от спутника до мобильного терминала (downlink). Данная обработка дает оценку переданного высокомощного сигнала, задержанную на время его кругового прохождения (round trip), без CRMA-сигналов. Полученная оценка затем вычитается из принятого комбинированного сигнала (прямой канал + CRMA), чтобы выделить нужный CRMA-сигнал от VMT с достаточно высоким для успешной демодуляции отношением сигнал/шум.

Стоит отметить, что в любом регионе сеть ArcLight может функционировать в двух конфигурациях – стандартной и перекрестной (cross-strapped). Технология A-PCMA используется в хабе, когда система ArcLight работает в стандартной конфигурации, в которой сигналы прямого и обратных каналов передаются через один и тот же спутниковый транспондер, что дает значительную экономию затрат. В стандартной конфигурации в хабе задействуется PCMAHC для подавления сигнала прямого канала при сохранении сигналов обратных каналов. Когда же для передачи трафика прямого и обратных каналов используются разные транспондеры, PCMAHC не применяется. В этой (перекрестной) конфигурации сигнал обратного канала поступает прямо на демодулирующее оборудование хаба.

CRMA

Используемая в обратном канале технология CRMA (для передачи сигналов от VMT к хабу) представляет собой метод расширения спектра сигнала посредством прямой последовательности, похожий на распространенную в сетях мобильной связи технологию CDMA.

При использовании технологии CRMA:
• Обеспечивается максимальная эффективность обработки сигналов при произвольном доступе к каналам: Использование единого кодового слова для расширения спектра сигнала позволяет задействовать один коррелятор для обеспечения работы множества демодуляторов, что уменьшает стоимость оборудования хаба.
• Не требуется точная синхронизация работы узлов сети по времени и частоте, а значит, в системе ArcLight не нужны используемые в архитектурах оборудования MF-TDMA высокостабильные генераторы и дорогие синтезаторы, обеспечивающие быструю перестройку по частоте (frequency hopping).
• VMT можно оснащать антеннами малого диаметра (от 20 см), поскольку расширение спектра сигнала снижает плотность потока мощности и тем самым позволяет избежать возникновения помех для соседних спутников.
• Уменьшается стоимость радиочастотного оборудования VMT, поскольку в системах с расширением спектра радиосигнала мощность передатчиков ниже.

В обратном канале используется модуляция типа Gaussian Minimum Shift Keying (GMSK), дающая спектрально эффективный сигнал с постоянной амплитудой. Именно это и является важным достоинством GMSK, поскольку сигнал с постоянной амплитудой не подвержен нелинейным искажениям, когда усиливается усилителем мощности в режиме насыщения.

Uplink Power Control и Congestion Control

Почти все администрации связи требуют, чтобы системы Ku-диапазона проектировались, координировались и эксплуатировались таким образом, чтобы суммарные уровни ЭИИМ внеосевого излучения терминалов не превышали уровней помех, допустимых для других спутниковых систем.

Система ViaSat ArcLight разработана с учетом этих требований. Она позволяет гибко ограничивать параметры работы своих компонентов с помощью NMS. Для каждой сети ограничения устанавливаются в соответствии с определенной регулятором маской внеосевой плотности ЭИИМ. Данная система защищает геостационарные спутники ФСС, следя за тем, чтобы суммарная плотность ЭИИМ внеосевого излучения вдоль дуги ГСО не превышала предельно допустимого уровня для нормальной работы VSAT-приложений.

В системе ArcLight используются механизмы Uplink Power Control и Congestion Control, призванные обеспечивать соответствие максимума суммарной плотности ЭИИМ внеосевого излучения всех терминалов сети маске этого параметра, определенной регулятором для территории, на которой действует сеть.

Вышеупомянутые механизмы не гарантируют на все 100%, что при осуществлении доступа терминалов к сети ограничение на уровень плотности ЭИИМ внеосевого излучения никогда не будет нарушено. Но они снижают вероятность возникновения таких инцидентов до приемлемого значения.

Механизм Uplink Power Control приводит излучаемую мощность всех терминалов к желаемому уровню. Алгоритм же Congestion Control регулирует число обращений терминалов к обратным каналам, заставляя терминалы передавать только должный процент их данных в тех маловероятных случаях, когда скорость передачи близка к максимально допустимой. Иными словами, система ArcLight реализует механизм Congestion Control для ограничения числа одновременно передаваемых пакетов данных по обратному каналу. Максимально допустимая скорость передачи пакетов данных терминалом определяется ограничениями на внеосевую плотность ЭИИМ, установленными регулятором.

Стоит добавить, что специалисты ViaSat учитывают самые разные факторы, которые могут повлиять на уровень ЭИИМ внеосевого излучения (неточное наведение антенны терминала на спутник, изменение ее диаграммы направленности и колебания ЭИИМ терминала). Что касается точности наведения, то в терминале предусмотрен блок управления антенной (Antenna Control Unit – ACU), который корректирует ее ориентацию. Негативное влияние изменения диаграммы направленности и колебаний ЭИИМ уменьшается снижением излучаемой мощности.

Поддержка многочисленных типов антенн в одной сети

Многоскоростной прямой канал с ACSM, динамический обратный канал с CRMA, механизмы Uplink Power Control и Conegestion Control позволяют использовать несколько разных типов антенн в одной сети. Благодаря многоскоростному прямому каналу и динамическому обратному каналу мобильные терминалы с антеннами разных типов могут работать на максимуме своих радиотехнических возможностей в зависимости от их расположения в зоне покрытия спутника и текущих погодных условий. При использовании любых типов антенн механизмы Uplink Power Control и Conegestion Control обеспечивают максимально допустимую емкость обратного канала с точки зрения регуляторных ограничений.

Автоматическое переключение между спутниками

При перемещении самолета или судна из одного региона в другой для осуществления хендовера с перенацеливанием антенны мобильного терминала с одного спутника на другой оператору NOC или пользователю на борту самолета или судна никаких действий совершать не нужно. Терминалы VMT сами (в автоматическом режиме) определяют свое расположение по отношению к краю зоны покрытия спутника и инициируют хэндовер с перенацеливанием своей антенны на другой спутник, обслуживающий следующий регион.

Главная NMS в NOC управляет главной базой данных для всех хабов AGNet. К этой базе данных могут обращаться все серверы NMS в каждом хабе, что позволяет VMT регистрироваться в сети и использовать доступную емкость в каждом регионе.

Рис. 4. Планируемая зона покрытия глобальной сети ArcLight (AGNet) с основными маршрутами авиаперелетов

Заключение

В глобальном масштабе существует растущий спрос на услуги широкополосного доступа к данным, предоставляемые на разнообразных мобильных платформах. Однако есть целый ряд трудностей с созданием крупномасштабной сети широкополосного мобильного доступа, включая обеспечение достаточных покрытия, емкости и доступности сети, при поддержке разных типов антенн. Кроме того, нужно получать одобрение регулятора и минимизировать затраты. Все эти трудности успешно преодолеваются в случае применения системы ViaSat ArcLight, которая максимизирует емкость сети в используемой полосе частот в Ku-диапазоне и позволяет получить одобрение регулятора при строжайших ограничениях на уровень помех (соседним спутникам). Где бы ни требовался мобильный широкополосный доступ, система ArcLight, в которой используются современные коммуникационные технологии, позволит построить самую эффективную и недорогую сеть.