Всё о проекте «Спутниковый интернет Starlink». Часть 13. Спутниковая задержка в сети и методы доступа к радиочастотному

в 16:50, , рубрики: starlink, Беспроводные технологии, космонавтика, Научно-популярное, Разработка систем связи, Сетевые технологии, спутники, спутниковая связь, спутниковый интернет

Часть 1Часть 2 Часть 3 Часть 4 Часть 5 Часть 6 Часть 7 Часть 8 Часть 9 Часть 10 Часть 11 Часть 12

Спутниковая задержка в сети SpaceX

Время задержки (англ. latency), или пинг, является для спутниковых сетей на низкой орбите огромным преимуществом по сравнению с сетями на геостационарной орбите (ГСО, 36 тыс. км над Землей). Для ГСО задержка в одном направлении составляет 600-800 миллисекунд и определяется временем, когда радиосигнал достигнет спутника и вернется на Землю. Пинг равен двойному времени задержки. Большая задержка не только вносит большие проблемы для таких важнейших интернет-приложений как VPN-туннели, удаленный рабочий стол и даже телефонные разговоры, не говоря уже о компьютерных играх-шутерах, но и банально резко снижает скорость передачи информации по IP протоколу в канале, независимо от его формальной физической пропускной способности.

Всё о проекте «Спутниковый интернет Starlink». Часть 13. Спутниковая задержка в сети и методы доступа к радиочастотному - 1

Рис. Скорость передачи информации по IP протоколу в зависимости от времени задержки для каналов различной пропускной способности.

Именно малая величины задержки (пинга) является ключевым элементом для низкоорбитальных сетей и их главным преимуществом по сравнению со спутниками, работающими на геостационарной орбите. Для SpaceX критично иметь пинг менее 100 миллисекунд, что является критерием для FCC при рассмотрении заявок на гранты из бюджета для подключения абонентов в сельской местности (программа RDOF). При большей задержке получить этот грант практически невозможно. Если говорить о размере задержки, то для абонента она формируется из задержки в спутниковой сети (между гейтвеем и абонентским терминалом) и задержки в наземной сети – от гейтвея до ЦУС сети Starlink – точки обмена трафиком и нужного абоненту сайта.

Задержка в спутниковом сегменте состоит из трех составляющих:

  1. Задержка в космическом пространстве (задержка там 3-4 миллисекунды),
  2. Аппаратная задержка при модуляции и демодуляции IP-трафика в радиосигнал (это 5-20 миллисекунд),
  3. Задержка в назначении ЦУС места в кадре (суперфрейме) для передачи трафика от гейтвея/терминала. Для ряда режимов работы, например, в случае использования частот в режиме выделенного канала, эта задержка может быть равна нулю. Для режимов множественного доступа с разделением по времени (TDM) эта задержка может достигать десятков миллисекунд.

Всё о проекте «Спутниковый интернет Starlink». Часть 13. Спутниковая задержка в сети и методы доступа к радиочастотному - 2

В связи с вышеизложенным, предположения некоторых авторов о том, что передача информации для торговли на бирже в сети Starlink может быть быстрее, чем в наземных оптических сетях, за счет использования нескольких скачков через спутник, однозначно ошибочны — из-за накапливания аппаратной ошибки при приземлении на гейтвей и новом подъеме на спутник.

29 сентября 2020 года SpaceX направила в FCC письмо, в котором привела данные, полученные при закрытом бета тестировании абонентских терминалов в августе-сентябре 2020 года. В письме приведен следующий график недельного тестирования группы в 30 терминалов, с передачей файлов в течение 15 секунд. Было проведено более 1 млн измерений времени задержки.

Всё о проекте «Спутниковый интернет Starlink». Часть 13. Спутниковая задержка в сети и методы доступа к радиочастотному - 3

Как видно из графика в 95% случаев задержка была менее 42 миллисекунд, и в 50% менее 30 мс, что отлично подходит к требованиям программы RDOF, но вряд ли может быть использовано для организации высокочастотного биржевого трейдинга…

Методы доступа к радиочастотному спектру

Среди методов доступа абонентского терминала к радиочастотному спектру на спутнике выделяют следующие:

  1. С постоянным закреплением полосы частот за терминалом.
  2. Доступ по требованию (Demand Assigned Multiple Access).

Первый метод значительно проще в аппаратной реализации, при этом за каждым терминалом закрепляется определенная часть частотного спектра на спутнике.

Всё о проекте «Спутниковый интернет Starlink». Часть 13. Спутниковая задержка в сети и методы доступа к радиочастотному - 4

Рис. Спектрограмма использования частотного ресурса в режиме выделенного канала типа SCPC – Single Channel per Carrier

Преимуществом этого метода является быстрота установления связи – как только антенна терминала наводится на спутник, может начаться передача информации на гейтвей. Недостаток такого метода заключается в том, что спутниковый сегмент используется нерационально, так как большую часть времени абонентский терминал не передает информацию, КПД (или степень утилизации) такого канала редко превышает 5%. Так, например, если сервисный план сети Starlink будет обещать абоненту скорость 100/40 Мбит/с, то максимальное количество абонентов при использовании режима выделенного канала составит 6 Гбит/100 Мбит = 60 абонентов, что делает сеть глубоко убыточной.

Второй принцип — доступ нескольких абонентов к одному частотному каналу с временным или частотным разделением.

Методы с групповым доступом (TDMA – Time Division Multiple Access, FDMA – Frequency Division Multiple Access и т.д.), несмотря на сложность их реализации и требования синхронизации в отправке пакетов от абонентских терминалов, позволяют в несколько десятков раз эффективнее использовать частотный диапазон сети и передать в десятки раз больше информации (абонентского трафика).

Всё о проекте «Спутниковый интернет Starlink». Часть 13. Спутниковая задержка в сети и методы доступа к радиочастотному - 5

Рис. Схема доступа к частотному ресурсу спутника при использовании группового доступа TDM/TDMA.

Также преимуществом таких систем является то, что в них возможно варьировать скорость передачи данных на отдельный терминал в широком диапазоне – система позволяет перенаправить практически всю пропускную способность шлюзовой станции на один абонентский терминал. Однако при этом существенно возрастает задержка в передаче, ибо назначением времени и места в кадре для посылки пакета абонентским терминалом занимается Центр управления сетью (ЦУС), и сначала информация о том, что абонентский терминал Х хочет выйти в интернет и начать передачу, должна поступить на ЦУС, быть там обработана, должно быть определено наличие свободных слотов в кадре на ближайшем спутнике (а в случае его полной загруженности — на другом), и информация о свободных частотах будет передана на гейтвей, а от него — на абонентский терминал. Только после этого они могут начать передачу, причем на этой частоте абонентский терминал будет передавать только в течение того времени, пока находится в мини-пятне с данной поляризацией и частотами, то есть не более 6-7 секунд, после чего терминал попадет в зону другого мини-луча, с другими частотами и/или поляризацией. Оптимальным является, если информация об объеме трафика, нужного абоненту, будет заранее сообщена в ЦУС, и тот сможет забронировать слоты в кадре для данного терминала во всех мини-пятнах, в которые будет попадать абонентский терминал при движении спутника над домом абонента. При наличии в памяти абонентского терминала подобной roadmap можно будет обеспечить бесшовную связь и непрерывный просмотр видео в интернете.

Естественно, при этом увеличивается сложность оборудования гейтвеев, абонентских терминалов и всей сети, требующей непрерывного управления от Центра управления, поддержания синхронной работы всех гейтвеев и абонентских терминалов.

Из общих соображений, первый метод выделенного канала больше подходит при организации связи для военных/правительственных задач, а второй — для оказания услуг обычным коммерческим потребителям. В данный момент отсутствует информация, какой метод доступа к космическому сегменту и его детали будет использоваться в системе Starlink. Однако, учитывая, что первоначально проектом Starlink занимались выходцы из компании Broadcom, специализирующейся на наземном ШПД и 5G, протоколы доступа могут быть взяты из них.

29 сентября SpaceX направил в FCC письмо, парируя замечания из компании ViaSat к своей заявке на изменение сети StarLink, в данном письме впервые приведены данные о формате спутникового канала на линии к абонентскому терминалу:

Until recently, the network had been grouping user terminals in groups of 8 per radio-frame, instead of the 20 terminals per radio-frame the system supports. This operating choice is to support on-going optimization and testing of the network but has the consequence of introducing 2.5 times longer delay between radio-frames for a given user in a fully loaded cell, corresponding to the smaller group sizes. Importantly, this software feature has just been enabled and is specifically designed to optimize speeds in highly populated cells, increasing throughput by approximately 2.5 times.

Исходя из данного абзаца можно сделать вывод, о том что в канале используется метод доступа ТДМ.

Информация о дополнениях в ранее опубликованные материалы

Часть 1. Рождение проекта 14/12/20 хроника пополнилась записью о том, что 14 ноября 2020 г. — SpaceX начал рассылать терминалы для публичного бета тестирования абонентам в Канаде, живущим южнее 50-й параллели

Часть 8. Монтаж и включение абонентского терминала" 14/11/20 была дополнена инструкцией Starlink RIDGELINE MOUNT

.

Автор: vsatman

Источник


* - обязательные к заполнению поля


https://ajax.googleapis.com/ajax/libs/jquery/3.4.1/jquery.min.js