Belaustegui, C - TecnoHubless

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

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Tecnologas Satelitaleshubless IP

paraRedes Internacionales

Tecnologas Satelitaleshubless IP

paraRedes Internacionales

Carlos F. Belaustegui GoitiaSES 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 ARGENTINAwww.ses.com.ar Tel. +54 11 5453 0000 Fax +54 11 5453 8464


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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



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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



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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.



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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.



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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



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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


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ModulaciModulacinn

4PSK 8PSK

2 bits por smboloMenor eficiencia espectralMenor probabilidad de errorMenor potencia necesaria

2 bits por smboloMenor eficiencia espectralMenor probabilidad de errorMenor potencia necesaria

3 bits por smboloMayor eficiencia espectralMayor probabilidad de errorMayor potencia necesaria

3 bits por smboloMayor eficiencia espectralMayor probabilidad de errorMayor potencia necesaria



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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

3/4 7/8

0,000,200,400,600,801,001,201,40

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

4PSK8PSK



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TopologTopologas deas deRedes SatelitalesRedes Satelitales

Punto a punto

Estrella

Malla

Mixta



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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



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MMtodos de todos de accesoaccesoal satal satlitelite

AB

C

frecuencia

tiempo

A B C

frecuencia

tiempo

AB

C

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.



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SCPCSCPC

Up/downConverter + RF

ModemRouter Up/downConverter + 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.

Espectroascendente

Espectrodescendente

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.



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SCPC/Frame RelaySCPC/Frame Relay

Up/downConverter + RFModulador

MultiplexFrame Relay Demoduladores Divisor depotencia

SwitchFrame Relay AB,C

B,CB

C

BA,C

A,CC

A

CA,B

A,BB

A

Estacin A

Estacin C

Estacin B

AB,C CA,BBA,C

AB,C CA,BBA,C

Espectroascendente

Espectrodescendente

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.



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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 MaraLas Palmas Casablanca

Lisboa

JohannesburgoEzeiza

Interconecta FIRs del Atlntico Central y Sur, para intercambiar trfico de voz y datos.


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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


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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



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

TF

TB

A

B

C Rb

B

Fb TT

RR =

A

B

CA, B, C

Hub

Portadora entrante TDMA(Inbound)

Portadora saliente TDM(Outbound)

C



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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) 4 125 mseg = 500 mseg.

Hub costoso. Alta inversin inicial para una red pequea. Punto nico de falla.

VentajasVentajas

DesventajasDesventajas



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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



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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 ... 80M 10 18 1 2 3 ... 80M 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.



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


usegBytes

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 transmisinAsignacin fija a cada estacin Best effortPrioridad 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.



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Portadoras TDMA MPortadoras TDMA Mltiplesltiples


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: f3Rx: 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.



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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 2 125 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

Desv

enta

ja

Desv

enta

ja



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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).



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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.


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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.



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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.



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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


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TDMA TDMA hublesshublessRedes InternacionalesRedes Internacionales

Satlite

Estacin 1

Estacin 2

Estacin N

IDU

PABX

IDU

IDU

Transceptor VHF



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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



32


Muchas gracias por su at

encin!Muchas grac

ias por su atencin!

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