87223

Анализ возможностей применения спутниковой сети для реализации регионального сегмента единой образовательной информационной среды

Научная статья

Информатика, кибернетика и программирование

Одним из возможных подходов к построению инфраструктуры единого образовательного информационного пространства региона является создание сети районных консультативносервисных пунктов РКСП информатизации системы образования. Основное достоинство данных технологий состоит в том что они гарантируют необходимую пропускную способность канала спутниковой связи а главный недостаток – отсутствие возможности динамического перераспределения ресурса ретранслятора между узлами в том случае когда необходимо передавать трафик со скоростью большей чем...

Русский

2015-04-17

101.13 KB

1 чел.

Анализ возможностей применения спутниковой сети для реализации регионального сегмента единой образовательной информационной среды

Д-р техн. наук, проф. Константинов И.С.

Аспирант Новиков С.В.

Аспирант Фролов А.И.

Аспирант Лунёв Р.А.

Орловский государственный технический университет

Россия, г. Орел, тел. +7 -0862-76-19-10; e-mail: sergnn@list.ru 

The features of various satellite technologies of data transmission are considered in this article from the point of view of the uniform educational information space of the region. There are shown the ranges of their rational application.

В статье рассмотрены особенности различных спутниковых технологий передачи данных применительно к единому образовательному информационному пространству региона. Показаны диапазоны их рационального применения.

Информатизация сферы образования становится одним из приоритетных направлений государственной политики и политики большинства регионов, в том числе Орловской области. При этом мы сталкиваемся с серьезной комплексной задачей, требующей привлечения огромных материальных, людских ресурсов, и широкого спектра научных и технических решений /1/, которые должны обеспечить не только глубину проработки всех вопросов, но и полный охват системы образования, включая образовательно-воспитательные учреждения всех уровней, независимо от их территориальной расположенности. Информатизация только учреждений образования крупных городов, представляет собой однобокое, неполное решение задачи.

Одним из возможных подходов к построению инфраструктуры единого образовательного информационного пространства региона является создание сети районных консультативно-сервисных пунктов (РКСП) информатизации системы образования.

Основными задачами РКСП являются:

– оказание методической поддержки учителям, активно использующим новые информационные технологии (НИТ) в учебном процессе;

– оказание консультационных услуг учителям, школьникам, населению области по практическому использованию аппаратных и программных средств;

– обучение учителей области новым информационным технологиям и подготовка специалистов, способных самостоятельно проводить обучение и оказывать консультационные услуги в рамках федеральных и региональных образовательных программ;

– организация и поддержка дискуссий, видеоконференций, олимпиад, форумов и др.;

– сопровождение программно-аппаратных средств, используемых в учебном процессе и управлении образовательными учреждениями района;

– оказание технической поддержки при модернизации компьютеров, установке новых программных средств, обслуживании каналов доступа в Интернет в образовательных учреждениях района.

В Орловской области рамках разработки проекта «Создание инфраструктуры единого информационно-телекоммуникационного пространства области на базе районных консультационно-сервисных пунктов» был предложен ряд технических, структурных и организационно-кадровых решений /2/.

Учитывая значительную территориальную рассредоточенность районов области, оснащение их узлами доступа к единому информационному образовательному пространству имеет определенные особенности. Так, существующая кабельная инфраструктура слаборазвита и ненадежна, а создание новой – экономически неэффективно. В таких обстоятельствах зачастую единственным решением является применение беспроводных технологий связи, и в частности, технологий спутниковой связи. На сегодняшний день не существует общепринятой классификации этих технологий. Рассмотрим ряд технологий, применяемых в сетях спутниковой связи в настоящее время.

SCPC (Single Channel Per Carrier) и MCPC (Multi Channel Per Carrier). Эти технологии активно применяются для построения небольших сетей с интенсивным трафиком. Каждая земная станция (ЗС), реализующая SCPC или MCPC, имеет выделенный постоянный сегмент емкости спутникового ретранслятора и поддерживает постоянное соединение. Основное достоинство данных технологий состоит в том, что они гарантируют необходимую пропускную способность канала спутниковой связи, а главный недостаток отсутствие возможности динамического перераспределения ресурса ретранслятора между узлами в том случае, когда необходимо передавать трафик со скоростью большей, чем скорость несущей станции сети. Стоит также отметить, что каналы SCPC просты в реализации, однако эффективность использования дорогостоящего космического сегмента в корпоративной сети на их основе, как правило, ниже, чем в любой другой системе спутниковой связи, функционирующей на базе технологии многостанционного доступа к одному и тому же частотному ресурсу (TDM, TDMA, DAMA и др.).

DAMA (Demand Assigned Multiple Access) способ предоставления ресурса спутникового ретранслятора по требованию. В сетях DAMA канал выделяется пользователю только на время проведения сеанса связи, что обеспечивает экономное использование спутниковой емкости. В некоторых реализациях технологии DAMA предусмотрена возможность установления SCPC-соединений с разной пропускной способностью (в зависимости от потребностей пользователей). Оборудование DAMA поддерживает полносвязную сетевую топологию.

TDM/TDMA (Time Division Multiplexing/Time Division Multiple Access) – комбинированная технология сетей с топологией типа "звезда". В сети TDM/TDMA центральная ЗС (ЦЗС) связывается со станциями пользователей с помощью одного или нескольких закрепленных каналов TDM (с временным мультиплексированием). Передача информации в обратном направлении осуществляется по каналам TDMA (с разделением по времени).

FTDMA (Frequency Time Division Multiple Access) технология для сетей с разными топологиями (полносвязная или "звезда"), которая выбирается в зависимости от типа основного трафика (телефония или передача данных). В сети FTDMA ЦЗС организует связь для удаленных станций, предоставляя им свободные временные слоты на нескольких несущих.

MF-TDMA (Multi Frequency-Time Division Multiple Access). Данная технология предоставляет множеству станций динамический доступ к общим частотным каналам с временным разделением. При этом может использоваться совокупность каналов с разной пропускной способностью, т. е. станция перестраивается не только по частоте, но и по скорости информационного потока. Технология MF-TDMA обладает двумя важными особенностями. Первая возможность динамического переназначения всего спутникового ресурса определенному соединению или даже направлению передачи трафика. Вторая - схожесть конфигураций и рабочих характеристик (диаметр антенны и мощность приемопередатчика) ЦЗС и периферийных терминалов. От последних ЦЗС отличается наличием системы управления сетью, обеспечивающей мониторинг ее работы и возможность ее переконфигурации. При необходимости эту систему можно развернуть на любом терминале. Таким образом, земной сегмент сети имеет высокую степень отказоустойчивости, однако цена этомуболее высокая стоимость терминалов.

Выбор той или иной технологии зависит от типа создаваемой корпоративной сети. Поскольку все многообразие потенциальных приложений систем спутниковой связи довольно полно отражается в режимах работы их периферийных, или абонентских, терминалов, мы будем классифицировать сети по уровню средней рабочей нагрузки (в дневное время и в рабочие дни) этого терминала, поддерживающего передачу данных, телефонию и/или другие приложения (например, видеоконференцсвязь). При асимметричном трафике в расчет принимается средняя скорость передачи данных по обратному каналу.

К сетям с низкой нагрузкой относятся сети, в которых терминалу достаточно иметь пропускную способность не более 32 Кбит/с, причем организовывать телефонную связь не требуется или же пользователям терминала необходима только одна телефонная линия. Как привило, в них насчитывается от 50 до 10 тыс. терминалов. Центральный узел сети в основном обрабатывает информацию, поступающую от терминалов. Для сетей с низкой нагрузкой типичными являются протоколы передачи данных Х.25 и IP.

Для организации сетей с топологией типа "звезда" и большим числом абонентских терминалов с низкой нагрузкой наиболее эффективными считаются технологии TDM/TDMA и FTDMA. В таких сетях все терминалы напрямую (в один спутниковый скачок) взаимодействуют только с ЦЗС. Благодаря этому появляется возможность применять маломощные и недорогие терминалы, скомпенсировав низкие значения их энергетических характеристик установкой на ЦЗС антенны большого диаметра (5 м и более) и мощного передатчика. Таким образом удается существенно снизить стоимость реализации проектов с большим числом терминалов. Помимо высоких энергетических характеристик, ЦЗС должна иметь и высокий уровень надежности, так как от состояния этой станции зависит функционирование сети. Все это, плюс наличие средств управления сетью, обуславливает высокую стоимость ЦЗС.

Для построения больших сетей с низкой нагрузкой, предназначенных для передачи данных и организации телефонной связи между периферийными терминалами, целесообразно использовать систему, сочетающую в себе технологии TDM/TDMA (для передачи данных) и DAMA (для телефонии), или систему на базе технологии FTDMA, обеспечивающую связь типа "каждый с каждым". Терминалы этих систем стоят дороже (чем терминалы сетей с топологией типа "звезда"), поскольку в них реализован дополнительный режим работы DAMA. К тому же для взаимодействия друг с другом они должны обладать более высокими энергетическими характеристиками.

Отдельную группу образуют спутниковые сети, обеспечивающие широкополосный доступ в Интернет. Они характеризуются значительной асимметрией трафика: объем информации, пересылаемой со всех абонентских терминалов на ЦЗС в 3-10 раз меньше объема информации, передаваемой самой ЦЗС. В этих сетях для передачи высокоскоростного (до 40 Мбит/с) потока данных от ЦЗС к абонентским терминалам используется широко применяемая в цифровом телевидении технология DVB, а доступ терминалов к спутниковому сегменту (для передачи данных на ЦЗС) осуществляется по технологии TDMA или FTDMA. 

В принципе технологии сетей широкополосного доступа в Интернет применимы и для дистанционного обучения, но только в том случае, если видеоизображение требуется транслировать лишь в одном направлении - от ЦЗС, а связь в обратном направлении может быть ограничена передачей текстовых запросов или телефонных сообщений. 

Пользователями сетей со средними нагрузками являются банки, производственные и торговые компании с разветвленной инфраструктурой филиалов и отделений, которым для передачи данных и организации нескольких телефонных каналов (а возможно, и видеоконференцсвязи) требуются ЗС с пропускной способностью 32-256 Кбит/с. Сети такого класса могут применяться и для организации дистанционного обучения и телемедицины. Здесь широко используются протоколы Frame Relay или IP, а их топологии ("звезда" или "иерархическая звезда" с числом станций от 10 до 100) отражают структуру предприятий. 

Для реализации сетей со средней нагрузкой и числом удаленных терминалов до 15 часто применяются выделенные каналы SCPC и технология MCPC. Эти сети могут иметь любую топологию, причем на 3С каждое направление связи обеспечивается отдельным каналообразующим модулем. 

Для организации сетей со средней нагрузкой и числом терминалов более 10 целесообразно использовать системы спутниковой связи, реализованные на базе технологии MF-TDMA, которая, когда необходимо построить полносвязную сеть с большой пропускной способностью и неравномерным трафиком, является оптимальной.

Средняя рабочая скорость станции в сети с высокой нагрузкой – 256-2048 Кбит/с, а сами эти станции используются для передачи смешанного трафика (данные, Интернет, телефония, видеоконференцсвязь). Как правило, в сети с высокой нагрузкой насчитывается от 5 до 25 ЗС, между которыми организуется связь типа "каждый с каждым" (с использованием технологии ATM или Frame Relay). Основные пользователи этих сетей крупные общероссийские холдинги или телекоммуникационные компании, применяющие спутниковые каналы с целью объединения крупных региональных офисов в единую сеть или для резервирования основной наземной сети. 

Когда нужно построить сеть с высокой нагрузкой, технологии MF-TDMA практически нет альтернативы (поскольку организация многочисленных высокоскоростных каналов SCPC/MCPC экономически не эффективна). Сети такого типа можно реализовать на основе MF-TDMA-систем SkyWAN, LinkWay 2000 и VSAT Plus II. 

На рисунке 1 представлены рациональные зоны использования для упомянутых выше технологий в зависимости от средней рабочей нагрузки абонентских терминалов и их числа в корпоративной сети.

Рисунок 1 - Оптимальные зоны использования спутниковых технологий

Сеть спутниковой связи на базе VSAT включает в себя три основных элемента: центральная земная станция (при необходимости), спутник-ретранслятор и абонентские VSAT терминалы, что представлено на рисунке 2.

Рисунок 2 - Сеть спутниковой связи на базе VSAT

Недостатком данной архитектуры является наличие двойного скачка при связи между терминалами сети, что приводит к заметным задержкам сигнала. Аналогично строятся сети телефонной связи для обслуживания удаленных абонентов, которым обеспечивается выход на телефонную коммутируемую сеть общего пользования через центральную станцию, подключенную к наземному центру коммутации или АТС. Функции контроля и управления в сети данного типа обычно централизованы и сосредоточены в центральной управляющей станции (ЦУС) сети. ЦУС выполняет служебные функции установления соединений между абонентами сети (как наземными, так и спутниковыми терминалами) и поддержания рабочего состояния всех периферийных устройств. 

Обычно функции ЦЗС/ЦУС совмещены в одном комплексе, который выполняет роль коммутатора трафика и интерфейса спутниковой сети с наземными каналами. В сетях представленного типа, создаваемых крупными операторами, ресурсу одой ЦУС могут предоставляться нескольким автономным подсетям VSAT. Такое решение оказывается экономически выгодным, поскольку одна ЦУС/ЦЗС может обслуживать до 10 тысяч и более терминалов, а средняя сеть одного клиента редко превышает 100 терминалов.

Центральная земная станция в сети спутниковой связи на базе выполняет функции центрального узла и обеспечивает управление работой всей сети, перераспределение ее ресурсов, выявление неисправностей, тарификацию услуг сети и сопряжение с наземными линиями связи. Обычно ЦЗС устанавливается в узле сети, на который приходится наибольший трафик. Это может быть, областной центр в региональной сети.

В соответствии с проведенным анализом, мы видим, что рационально будет осуществлять подключение РКСП к единому информационному пространству области на базе технологии VSAT (Very Small Aperture Terminal — станции с очень малой апертурой антенн). Такая сеть обеспечивает многонаправленный радиальный трафик между центральной земной станцией и удаленными периферийными станциями (терминалами) по энергетически выгодной схеме: малая ЗС - большая ЦЗС, оснащенная антенной большого диаметра и мощным передатчиком. 

Литература

1. Голенков В.А. Развитие единой образовательной информационно-телекомуникационной среды Орловской области / В.А. Голенков, И.С. Константинов, А.В. Коськин, О.Б. Гаценко // «Современная образовательная среда» / Труды Всероссийской научно-методической конференции «Телематика’2002». – С-Пб.: ВВЦ, 2002. – С. 180-181.

2. «Создание инфраструктуры единого информационно-телекоммуникационного пространства области на базе районных консультационно-сервисных пунктов» / Отчет о НИР 1528. – Орел: ОрелГТУ, 2003. – 64 с.

3. Пехтерев С.В., Андреев А.В., Ермакова Е.Ю. Выбор технологии и системы спутниковой связи для корпоративной или ведомственной сети // Журнал «Сети и системы связи», №2, 2002 [Электронный ресурс]. – М., 2002. – Способ доступа: URL: http://www.plenexis.ru/ 


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

3461. Изучение нормального распределения случайной величины на доске Гальтона 168.5 KB
  Изучение нормального распределения случайной величины на доске Гальтона Получение экспериментальной кривой распределения случайной величины, сравнение ее с теоретической кривой нормального распределения. Расчет оценочных значений числовых параметров...
3462. Динамика материальной точки 169 KB
  Динамика материальной точки.  Законы Ньютона. Основное уравнение динамики поступательного движения.  Виды взаимодействий. Силы упругости и трения.  Закон Всемирного тяготения. Сила тяжести и вес тела.  Законы Ньютона. Основное ур...
3463. Внешнеторговая деятельность как составная часть внешнеэкономической деятельности 30.5 KB
  Сфера действия соглашения распространяется на товары, которые фактически пересекли ТГ ТС при ввозе на единую ТТ ТС или если товары заявлены к ввозу при применении предварительного декларирования...
3464. Изучение свободных колебаний пружинного маятника 177.5 KB
  Изучение свободных колебаний пружинного маятника. Цель работы: на примере пружинного маятника изучить основные законы колебательного движения, проверить формулу периода колебаний пружинного маятника, определить основные характеристики его затухающих...
3465. Изучение статистических закономерностей и методов обработки результатов эксперимента 158.5 KB
  Изучение статистических закономерностей и методов обработки результатов эксперимента Моделирование нормального распределения случайной величины на примере измерения сопротивлений резисторов. Освоение методики статистической обработки результатов пря...
3466. Визначення моменту інерції крутильного маятника 217 KB
  Визначення моменту інерції крутильного маятника Мета роботи: Визначити момент інерції крутильного маятника. Прилади та обладнання: Крутильний маятник, секундомір, штангенциркуль, металеві диски. Опис вимірювального пристрою...
3467. Звенья тела как рычаги и маятники 14.31 KB
  Звенья тела как рычаги и маятники Разбиение тела человека на звенья позволяет представить эти звенья как механические рычаги и маятники, потому что все эти звенья имеют точки соединения, которые можно рассматривать либо как точки опоры (для рычага)...
3468. Законы сохранения импульса и момента импульса – баллистический маятник 19.52 KB
  Законы сохранения импульса и момента импульса – баллистический маятник Закон сохранения импульса – баллистический маятник Используя математический баллистический маятник определяют скорость снаряда пушки и сравнивают с результатами измерен...
3469. Основы МКТ 20.42 KB
  Основы МКТ Основные положения МКТ. Все тела состоят из частиц: молекул, атомов, ионов и т.д. Частицы вещества хаотически движутся. Частицы взаимодействуют между собой. Характер взаимодействия зависит от расстояния между молекулами. Идеальный газ. Ид...