REDES V S A T (Very Small Aperture Terminals)
Redes de terminal de apertura pequeña
Inés Toribio Relaño e-mail:
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Índice de Contenidos: 1. Introducción ............................................................................. 3 2. Perspectiva histórica................................................................. 3 3. Conceptos básicos sobre satélites............................................. 4 4. Redes VSAT.............................................................................. 5 4.1. Clasificación de VSAT ............................................................ 4.2. USAT ....................................................................................... 4.3. VSAT con topología de estrella................................................. 4.4. Infraestructura y funcionamiento................... ............................ 4.5 Tipos de Servicios...................................................................... 10 4.6 Protocolos.................................................................................. 11
6 6 7 7
5. DVB & DVB-RCS..................................................................... 12 5.1 Transporte MPEG2....................................................................... 13 5.2. DVB-RCS.................................................................................... 15
6. Bibliografía y sitios web .......................................................... 17
1. INTRODUCCION Las redes satélite VSAT (apertura de terminal pequeña) se apoyan en el uso de satélites como elemento transmisor/receptor a fin de proporcionar una gran variedad de servicios de comunicación. Este tipo de sistemas ha evolucionado, gracias a la tecnología DVB por satélite, a otros tipos de sistemas de mayor integración de servicios a un coste inferior del que tenia las redes originales VSAT, pero sin perder de vista todas las posibilidades que se ofrecían en ellas. Este trabajo se centrara en una descripción funcional de las redes VSAT, indicando sus elementos básicos de funcionamiento, métodos de transmisión a través de flujos MPEG2, la tecnología DVB, y otros puntos de interés. 2. PERSPECTIVA HISTORICA El afán por ampliar las comunicaciones y abarcar todos los rincones de la tierra, ha conducido a los científicos a buscar medios cada vez más complejos para lograrlo. Realmente la transmisión espacial fue concebida con más de diez años de anticipación al lanzamiento de los primeros satélites artificiales. En 1945 el científico inglés Arthur C. Clarke propuso el uso de un satélite terrestre para radiocomunicación entre varios puntos de la superficie terrestre. Clarke sugirió en una publicación el diseño de una nave espacial tripulada que podría lanzarse como un cohete. La nave se posicionaría a una altitud aproximada de 36,000 kilómetros, giraría junto con la tierra y habría receptores y equipo de transmisión terrestres que llevarían las señales a una determinada parte de la tierra. Este mecanismo es básicamente el mismo con el que funcionan los sistemas de satélites geosíncronos. Entre la década de los 50 y 60, con el fin de abarcar la comunicación entre zonas, se utilizaron globos meteorológicos metalizados para establecer un sistema de comunicación a través del rebote de las señales que se producían en dichos globos, pero no se tuvieron los resultados esperados; las señales recibidas eran demasiado débiles para aprovechar un uso práctico. El avance en este campo de comunicaciones tuvo que esperar hasta el lanzamiento del primer satélite artificial. El lanzamiento de los satélites artificiales inició el 4 de octubre de 1957, cuando la antigua Unión Soviética envió al espacio el Sputnik I, con el objeto de realizar experimentos. Se inició entonces una lucha por la conquista del espacio entre la antigua Unión Soviética y EEUU pues inmediatamente el Congreso Norteamericano aprobó la cesión de fondos para proyectos de desarrollo de satélites, y al año siguiente ese país lanzó el Explorer I. La generación de satélites comerciales para comunicaciones empezó en 1965 con el lanzamiento del satélite Intelsat I, el cual podía manejar 250 llamadas telefónicas internacionales. Este sería el primero de una serie de doce propiedad de Intelsat.
3. CONCEPTOS BASICOS SOBRE SATELITE. Un satélite artificial, es un repetidor de ondas localizado en órbita alrededor de la tierra. A diferencia de un satélite real, el satélite artificial puede ampliar las señales antes de devolverla. El satélite contiene varios transpondedores, cada uno de los cuales capta alguna porción del espectro, amplifica la señal de entrada y después la envía a otra frecuencia para evitar la interferencia con la señal de entrada. Los haces retransmitidos pueden ser amplios con lo que puede cubrirse una amplia porción de la superficie terrestre, o bien pueden ser estrechos y como consecuencia cubrirse un área de solo cientos de Km de diámetro. Los satélites se clasifican principalmente por el tipo de órbita que describen, en concreto por el radio de su órbita, de este modo tenemos los satélites geosincrónico y los llamados de órbita baja, estos últimos tienen como desventaja de que solo son visibles en un intervalo de tiempo corto por lo requiere que las antenas terrestres sigan su movimiento, apuntando de forma imprecisa al satélite. Por supuesto que el sistema de seguimiento, las instalaciones de este tipo de antenas son muy costosas. Los satélites geosicronicos, es decir, aquellos con órbita geoestacionaria son los más utilizados para las comunicaciones; los satélites se ubican sobre el plano ecuatorial a una altura de 36.000 Km sobre la superficie terrestre. A esta altura la velocidad de giro del satélite alrededor de la tierra es la misma que la velocidad de rotación terrestre, con lo cual visto desde un punto sobre la tierra, el satélite está fijo. Los satélites de comunicaciones geoestacionarios ocupan principalmente dos bandas de frecuencia: banda C y banda Ku. Los primeros satélites operaron en banda C, cuyas frecuencias del uplink son del orden de los 6 GHz y las del downlink están alrededor de los 4 Ghz. La banda Ku se define entre 11 y 14 GHz. La aparición de esta banda de frecuencias superiores fue un tanto cuestionada por los posibles efectos negativos de la lluvia en el enlace. No obstante, dado que la lluvia no abarca grandes áreas se suelen usar varias estaciones terrestres a las que se envían las señales, es decir, se utiliza técnicas de Bypass de forma que si una estación no puede recibir o emitir, se puede utilizar otra estación. El siguiente cuadro especifica las principales bandas del espectro usadas para la transmisión por satélite, incluyendo los problemas que acarrean: BANDA
FRECUENCIAS
ENLACE DESCENDENTE (GHZ)
ENLACE ASCENDENTE (GHZ)
PROBLEMAS
C
4/6
3.7 - 4.2
5.925 - 6.425
Ku Ka
11/14 20/30
11.7 - 12.2 17.7 - 21.7
14.0 - 14.5 27.5 - 30.5
Interferencia terrestre Lluvia Lluvia, costo del equipo
Notar como en la anterior tabla se hace referencia a dos tipos de frecuencias distintas, una para el enlace ascendente (uplink) y otra para el enlace descendente (downlink). Esto se hace para evitar interferencias, y en general para reducir pérdidas, esto es consecuencia
de que la energía disponible en el satélite esta muy limitada y por tanto no se puede incrementar la potencia de la señal descendente a niveles elevados. Esta razón obliga a que la frecuencia del enlace descendente sea inferior a la frecuencia del enlace ascendente (uplink). Un satélite requiere de una estación terrestre de seguimiento de forma que conjuntamente al satélite forman lo que se denomina segmento espacial. Por otro lado el denominado segmento terrestre lo forman las estaciones que utilizan al satélite como repetidor de sus señales. El satélite no es más que un repetidor activo ubicado en el espacio. Las emisiones y recepciones de la información ser realizan a través de los amplificadores del satélite ("transponders" o transpondedor) y existen de dos tipos:
Transpondedor transparente: La señal llega al satélite, es filtrada para separarla de otras señales e interferencias, se cambia su frecuencia portadora, se amplifica y se retransmite hacia la tierra. Transpondedor Regenerativo: La señal digital que llega al satélite sufre el mismo proceso que un repetidor regenerativo. La señal es procesada y regenerada antes de trasladarla a otra frecuencia y retransmitirse hacia tierra.
Los satélites de comunicación por lo general tienen hasta una docena o más de transpondedores. Cada transpondedor tiene un haz que cubre una parte de la tierra debajo de él, el cual varía entre 250 Km y 1000 Km de diámetro y un ancho de banda de 36 a 50 MHz. Existen diversos circunstancias que hacen de los enlaces por satélite una buena alternativa: distancias grandes, obstáculos geográficos o limitaciones energéticas, cobertura distribuida, etc. La principal ventaja de los enlaces por vía satélite viene dada por el hecho de la gran cobertura proporcionada por estos sistemas con independiente de la topografía geográfica de la zona. 4. REDES VSAT Los enlaces vía satélite permiten establecer conexión entre dos o más puntos situados en la tierra, utilizando un satélite en el espacio como sistema repetidor. Con el fin de ampliar los horizontes en las telecomunicaciones a cualquier rincón del mundo y sobre todo con el fin de llegar a cuantos más usuarios mejor, por muy recóndito que sea el lugar, existe una tendencia a la utilización de terminales con antenas parabólicas de tamaño reducido (VSAT) para el intercambio de información vía satélite punto a punto o punto a multipunto (broadcasting). La ventaja de una estación terrestre de VSAT sobre una conexión de red terrestre típica, es que las VSAT no están limitadas por el alcance del cableado subterráneo. Una estación terrestre de VSAT puede instalarse en cualquier parte, sólo requiere ser vista por el satélite. Existe otro tipo de ventajas relacionadas con el bajo costo de operación, la mayor facilidad de expansión de la red y sobre todo, como he indicado antes, la instalación en lugares donde es difícil llegar con instalaciones de cable.
4.1 Clasificación VSAT Existen varios parámetros por los que se pueden clasificar una red basada en la comunicación por satélite, desde el tipo de topología de red utilizada hasta el tipo de tecnología de acceso de comunicación por satelite en la que se basa para la transmisión de información. Según el tipo de tecnología de acceso que utilizan podemos clasificarlas en:
Redes VSAT: Red basadas primordialmente en el uso de tecnologías TDM/TDMA, aunque hay que decir que el resto de redes siempre hacen un uso mas o menos extendido de esta tecnología. Redes VSAT LAN: Redes VSAT SCPC: La comunicación se realiza a través de una canal de forma que el usuario tiene una frecuencia y ancho de banda asignado de forma permanente. Redes VSAT DAMA: Comunicación directa entre sistemas VSAT remotos a través de enlaces SCPC en un único paso. Este tipo de redes utiliza los canales cuando el usuario así lo desea por lo que hace uso de varios canales de control (9,6kps/canal) con tecnología TDM/TDMA. Dependiendo del proveedor se utilizan un numero determinado de canales con TDM para emisión Hub-VSAT y otra cantidad de canales con TDMA para emisión VSAT-Hub.
Las redes mas características o comunes que podemos encontrar, según su topología, son:
VSAT con topología de estrella: Es el tipo de red mas comúnmente utilizada para las comunicaciones. A partir de ahora, cuando nos refiramos a las VSAT estaremos hablando de aquellas que tienen esta topología. VSAT con topología de malla: Este tipo de red permite la comunicación directamente entre VSAT, al contrario que las redes con topología de estrella, pero como consecuencia se requiere parabólicas de mayor envergadura, de 3 o más metros de diámetro. USAT: Es la evolución de los sistemas VSAT de topología de estrella como consecuencia de la integración de sistemas a bajo costo. La principal característica de estos sistemas es la utilización de antenas pequeñas, de aproximadamente 1 metro de diámetro.
4.2 USAT Gracias a las múltiples aplicaciones a las cuales podía accederse a través de sistemas VSAT, provoco una gran difusión de este tipo de redes a muchos ámbitos del mercado. La proliferación de antenas para accesos de usuarios, oficinas, hogares, etc. estimulo el perfeccionamiento de las antenas, sobre todo en lo referente a sus dimensiones las cuales se redujeron a fin de hacer mas atractivo el uso de estos sistemas VSAT no solo para las emisiones de vídeo digital, sino para accesos a las autopistas de la información. Como resultado, se obtiene un nuevo tipo de terminales de recepción/emisión, los llamados USAT o terminales de apertura ultra pequeña. (Ultra small aperture terminal). La reducción del diámetro de la antena conllevaba un problema; las interferencias
producidas por los satélites que compartían la misma frecuencia, es decir, una consecuencia seria la interferencia o choque entre el haz de la USAT con el haz del receptor adyacente. Para evitar este problema las USAT se diseñaron como un elipsoide que permite la reestructuración del haz principal y de este modo evitar el choque con los haces de los satélites adyacentes. El bajo costo de los terminales USAT y el tamaño reducido de sus antenas fue el principal atractivo de este sistema para los usuarios que veían aumentadas las posibilidades de uso de estos sistemas. 4.3 VSAT con topología de estrella Como hemos indicado anteriormente, es la red más utilizada. Este tipo de redes presta un servicio transparente de comunicación entre las VSAT y el HUB1 de forma que consigue una conectividad desde el host hasta el HUB y desde el HUB hasta las VSAT. De igual forma se permite la utilización del VSAT para la integración de otro tipo de servicios perteneciente a otro tipo de redes. Por ejemplo, puede soporta TCP/IP, incluyendo IP multicast (News, bases de datos, emisión de entretenimiento, distribución de software, audio, vídeo, etc.), X-25, SDLC, SNA, interconexión de redes locales, voz corporativa de alta calidad, comunicación de fax y conexión de PABX[1]. Generalmente se utiliza para conectar un gran número de terminales en áreas geográficamente dispersas y de difícil acceso vía terrestre. Lo más interesantes es que las VSAT son capaces de enviar y recibir todo este tipo de señales a la misma velocidad, independientemente de su distancia respecto del centro de conmutación terrestre y su infraestructura Un ejemplo de red con este tipo de configuración es SATNET, que ofrece tecnología TCP/IP con IP Multicast. Otra característica de esta red es que implementa un servicio de acceso DAMA lo que permite una mayor optimización de los recursos de enlaces. No obstante, este tipo de red también permite una configuración mallada de la red, es decir, es capaz de comunicar dos VSAT con un único paso de enlace, para ello utiliza un canal dúplex a 56kbps. 4.4 Infraestructura y funcionamiento de una VSAT Infraestructura Los elementos básicos que componen una VSAT, tanto en su segmento espacial y su segmento terrestre son: Estación VSAT Estación terrestre maestra (HUB): Sistema central que gestiona las comunicaciones entre las estaciones y las conexiones con otras redes. Se encarga de optimizar el acceso al satélite. También realiza tareas como estadísticas, configurar estaciones remotas, control e informe del trafico cursado, mantenimiento, etc. Normalmente este tipo de tareas se encuentran centralizada en otro sistema de gestión independiente denominado NMS (network managament system) Equipo remoto de concentración de datos (Interfase Host) unido al HUB. (Host Computer). Vsat Remote site: Equipos remotos de módem unidos a la Vsat y al terminal de usuario. 1
Nodo central de origen de transmisión, retransmisión y encaminamiento.
Es interesante comentar los dos elementos más importantes que forman parte del segmento terrestre del lado del usuario. Junto al sistema VSAT del usuario, se encuentra el receptor de la señal de satélite denomina LNB (bloqueador de ruido bajo) y el transmisor, que conjuntamente forma la unidad exterior del sistema. Para conseguir la conexión de este sistema con el televisor, PC, la red local o el servidor del usuario, existe un tablero de transmisión/recepción conjuntamente a una interfaz que permite la unión lógica de ambos sistemas, los cuales se interconectan físicamente a través de un par de cables.
Funcionamiento Una red VSAT puede estar compuesta por una gran numero de estaciones VSAT y estar controladas por una estación HUB La siguiente figura muestra el esquema de comunicación que se realiza a través de una VSAT
Figura 1: Esquema gráfico de comunicación VSAT-HUB-Satelite.
El funcionamiento es como sigue. El contenido de la señal a emitir, ya sea datos, voz, fax, se origina en la estación central, que posee una antena muy grande de 4.5 a 11 m. La estación central controla la red por medio de un servidor de sistema administrador de redes (NMS, network managament system), que le permite al operador de la red supervisar y ejercer control de todos sus componentes. El operador de NMS está en posibilidad de ver, modificar y transmitir información de configuración específica hacia cada VSAT por separado. Por ejemplo, la red SATNET utiliza el protocolo SNMP para implementar este sistema de administración. La información saliente (de central a VSAT) se envía al transpondedor de comunicaciones del satélite, que la recibe, la amplifica y la remite de vuelta a tierra para su recepción por las VSAT remotas. Por medio del mismo transpondedor del satelite, las VSAT de ubicaciones remotas envían información entrante (de VSAT a central) a la estación central2.
2
Posibilidad si la red permite transmisión bidireccional. Existen algunos sistemas de redes via satelite cuya transmision es unidireccional, de central a VSAT
Figura 2: Esquema conexión Internet -SAT
En la figura siguiente se muestra como se realizaría, paso a paso, una conexión a Internet utilizando una red VSAT. El primer paso consiste en realizar una petición vía telefónica a nuestro proveedor de servicio, el cual nos proporcionaría acceso a Internet. El resultado de nuestra petición, seria transmitida a través de una estación central (3) al transponedor del satelite (5), como se ha explicado anteriormente, este recibirá la señal, la amplificara y la enviara a nuestro VSAT terrestre (6) Toda esta comunicación, esta interoperatividad se debe gracias a que la emisión y recepción de información a través de los satélites se hacen de acuerdo al formato DVB que explicaremos a continuación. Las principales características de este tipo de redes son:
Redes privadas diseñadas a la medida de las necesidades de los usuarios Redes de alta escalabilidad Administración centralizada de la red El aprovechamiento de las ventajas del satélite por el usuario de servicios de telecomunicaciones a un bajo costo y fácil instalación. Las antenas montadas en los terminales necesarios son de pequeño tamaño (1 metro) Las velocidades disponibles suelen ser del orden de 56 a 64 Kbps. Permite la transferencia de datos, voz y vídeo. Enlaces asimétricos. Las bandas de funcionamiento suelen ser de K o C, donde se da alta potencia en transmisión y buena sensibilidad en recepción.
Sobre este último punto merece la pena indicar ciertas puntualidades. Las redes VSAT
con topología de estrella y mallada pueden operan en ambas bandas, no obstante las redes USAT como consecuencia del uso de antenas parabólicas de menor radio solo utiliza la banda Ku con el fin de evitar problemas por interferencia 4.5 Tipos de Servicios 1. Servicio de transmisión de datos vía satélite, con tecnología VSAT/TDMA: Este servicio permite la comunicación entre la central y múltiples VSAT. La tecnología TDMA emplea una sola portadora para dar servicio a varios canales a través de la comparición temporal del mismo. Para el enlace descendente se envía información sobre el intervalo de tiempo asignado para la transmisor y para el enlace ascendente se envía los datos a ráfagas en los intervalos que fueron designados. Dado que los sistemas participantes en la comunicación, host, hub, VSAT, etc. pueden no están sincronizados se necesitan de mecanismos para minimizar colisiones (véase Protocolos) 2. Servicio privado de transmisión de voz y datos: Este servicio se implemente con la tecnología SCPC que es una red de satélite digital privada, no compartida y con trasparencia de protocolos utilizados por los usuarios. La red se puede dimensionar de acuerdo al ancho de banda requerido por las necesidades de cada usuario Existen 4 tecnologías para comunicación por satélite muy usada que dan cobertura a todo tipo de servicios: 1. SCPC(single channel per carrier) Un canal dedicado por portadora. Este servicio provee al usuario un enlace dedicado transparente al protocolo de comunicaciones o aplicación que utilice. Se establece una portadora por cada enlace, punto a punto creando así un canal privado. El servicio SCPC asigna una frecuencia para cada enlace y utiliza el sistema FDMA(Acceso múltiple por división de frecuencia) para el satélite, es decir, se usa de forma simultanea el transpondedor del satélite por varias estaciones terrestres. Este tipo de canal es fijo, por tanto cada estación transmite siempre a la misma frecuencia. Esta tecnología nos brinda las siguientes ventajas: * Velocidades desde 9,6kbps a 2.048Mbps * Administración individual del canal * Alta disponibilidad (99%) 2. SCPC/SKY FRAME: Servicio SCPC mas orientado a Frame Relay 3. MCPC(Múltiples canales por portadora): Hemos visto como el servicio SCPC soportaba varias portadoras dispersas a velocidades variables por un canal, el sistema MCPC permite a la portadora combinar un gran numero de servicios en un solo flujo de bits TDM a través del transpodedor. 4. SCPC/DAMA(Acceso múltiple de asignación por demanda): Proporciona comunicación directa entre dos nodos remotos cualesquiera usando enlaces SCPC pero empleando un único satélite. Este servicio permite la reutilización del ancho de banda del satélite. Este servicio se proporciona gracias a un sistema de control de red DAMA que funciona como una conmutador, asignando los enlaces de comunicación según se van demandando. Una vez se dejan de utilizar quedan disponibles para el uso por otros usuarios. Para proporcionar este servicio, DAMA utiliza la técnica de FDMA al igual que lo
hacia SCPC pero con la diferencia en que cada canal tiene una frecuencia variable que se determina en el momento de la conexión. Como ventajas tenemos que se pueden utilizar antenas pequeñas, es decir, son ideales para sistemas de terminales USAT.
4.6 Protocolos Los enlaces por vía satélite son muy diferentes a los enlaces por vía terrestre, aunque las señales electromagnéticas viajan mas rápidamente a través del aire que a través del un medio físico como puede ser un cable no hay que olvidar la gran distancia existente entre el sistema de usuario y el HUB y entre el HUB y el satélite. Esto implica un mayor retardo en la propagación de la señal que la hace incompatible con los sistemas de redes terrestres. Un aspecto importante como consecuencia de esto es los protocolos a nivel de enlace, red y transporte en sistemas de satelites son diferentes a los sistemas de red terrestres. Como seria ineficiente implantar estos protocolos para su funcionamiento de extremo a extremo de la comunicación ya que habría que modificar los protocolos de todas las maquinas participantes en la comunicación vía satélite, se ha optado por realizar una emulación de los protocolos en las interfaces entre el host-HUB y VSAT-terminal de usuario. Esta emulación se realiza sobre los protocolos de las 3 primeras capas del sistema OSI de forma que se consigue: Nivel físico: Normas de interfaz física V.24 o RS-232, V35, etc. Nivel de red: Independizar las direcciones de los VSAT con las de los usuarios. Nivel de enlace: Se permite realizar un control independizado de los enlaces por satelite HUB-transpondedor y transpondedor-VSAT de los enlaces terrestres entre Host-HUB y VSAT-terminal de usuario. Como se mencionó anteriormente, la mayoría de sistemas VSAT proporcionan servicios utilizando tecnologías TDMA (Time División Múltiple Access) y TDM (Time División Multiplexing). Dado que los elementos integrantes en la comunicación por vía satélite no tiene porque estar sincronizados se implementas protocolos de acceso múltiple al canal con el fin de reducir las colisiones entre emisiones. Se emplean cinco clases de protocolos par el canal de acceso múltiple (aplicados al enlace ascendente):
Sondeo: En este caso las estaciones forman un anillo lógico con lo que cada estación conoce a su sucesora. ALOHA: FDM (Multiplexión por División de Frecuencia): Es el esquema de reparto de canal más viejo y más utilizado aún. TDM (Multiplexión por División de Tiempo): CDMA: Con este protocolo se pretende evitar los problemas derivados de la necesidad de sincronización para la asignación del canal de comunicación.
Existen otros sistemas para realizar compatibles la transmisión por los distintos protocolos son la utilización de pasarelas a nivel de aplicación o a través del uso de VPN, mejor dicho, utilizando túneles. 5. DVB & DVB-RCS Con intención de unificar los sistemas de transmisión de señales de TV digital, a principios de los 90 se creo el proyecto DVB como iniciativa de las compañías Europeas que trabajan en estos sectores. Con la supervisión de la unión europea de Radiodifusión (UER) se establecieron diferentes grupos de trabajos con el fin de abarcar todos los tipos de sistemas de comunicación. El DVB no es sólo una norma para la distribución digital de TV. DVB define un estándar de información que puede soportar cualquier tipo desde la transmisión de datos hasta los servicios multimedia interactivos o el acceso a Internet. La misma tecnología que hace posible la recepción de canales de TV puede aplicarse a la prestación de una amplia gama de servicios. DVB considera las siguientes variantes(nombraremos algunos de cada tipo): Especificaciones según el tipo de transmisión DVB-C cable (ETSI3 300429): Basado en 64-QAM, pero permite otros esquemas de modulación. DVB-T terrestre (ETSI 300744):Es el mas reciente y más sofisticado. Basado en COFDM(coded orthogonal frequency Divisional Multiplexing) y QPSK, modulación 16 QAM y 64 QAM DVB-S satélite (ETSI 300421):Estandar de facto para la transmisión de aplicación de TV digital, basado en QPKK, DVB-D datos DVB-MC para MMDS DVB-MT Especificaciones según su interconexión: DVB-ATM: Interfaces para transmisión por redes ATM DVB-PDH: Interfaces para redes PDH(plesiochronus Digital Hierarchy) DVB-SDH: Interfaces para redes SDH(Synchronous Digital Hierarchy) DVB-PI: Interfaces para redes CATV Especificaciones según los servicios de aplicaciones interactivas: DVB-RCS: aplicaciones de sistemas de distribución por satélite DVB-RCC: aplicaciones de sistemas de distribución de TV por cable Especificaciones según encapsulamiento de la información: DVB-MPEG: DVB-DATA: DVB-TXT: 3
ETSI (European Telecommunications Standards Institute: organización internacional dedicada a la estandarización de las telecomunicaciones europeas.
DVB-SI : servicios de información ETSI 300468 DVB-VBI Una de las principales decisiones del proyecto DVB fue adoptar MPEG-2 como estándar para la compresión de vídeo y audio para la transmisión. El documento ETR 154 recoge todas la información sobre restricciones, parámetros recomendados, usos, etc. del MPEG para aplicaciones exclusivas con DVB 5.1 Transporte MPEG2 Como base fundamental de la transmisión utilizando DVB es el uso de MPEG y es importante saber como se realiza este encapsulamiento de información en este formato, por tanto, creo conveniente dar una breve explicación de como ser realiza. Como punto inicial esta la creación de un flujo de transporte o TS (Transport Stream) el cual esta se construyen a partir de los llamados ES (elementary stream) que contienen la información comprimida, ya sea vídeo, audio, una combinación de ambos, etc. El primer paso consiste en unir estos ES en un paquete compacto, PES (packet elementary stream), el cual esta compuesta por una cabecera y un campo de datos de longitud variable. Este campo de datos corresponderá con un conjunto de bytes perteneciente a un ES.
Figura 3: Transformación de ES a paquete PES
El tamaño de la cabecera no es fijo y las funciones que tiene son por un lado identifica a que ES pertenecen los datos del PES4 y por el lado suministrar información de diversas características de los ES pues estos suelen contener información de vídeo/audio comprimido que posiblemente no incluyan información como por ejemplo tamaño de una imagen, frecuencias de muestreo, etc. Una vez tenemos los paquetes PES, se seccionan para introducirlos en paquetes más diminutos, denominado TS (Transport Stream) de 188 bytes de los cuales los 4 primeros bytes son la cabecera y el resto son el campo de datos. Es este proceso donde entra en acción el sistema que suponemos conocido por el lector de MPEG2. Antes de nada aclararemos unas consideraciones que promueve la MPEG2 4
Se asigna un numero de 16 bits único e irrepetible.
Figura 4: Transformación de paquetes PES a paquetes TS
A diferencia de los paquetes PES, los paquetes TS son de longitud fija, pero también incluye información para identificar a que ES pertenecen los datos que transportan. Esto se realiza a través de un campo denominado PID de 13 bits por lo que como máximo se pueden transmitir 8192 ES dentro de un TS. Existen otros campos en la cabecera, que al igual que el PID son importantes para el transporte, multiplexación y remultiplexacion de la información, pero omitiremos la especificación de estos campos dado que no es el tema principal de este trabajo. Una vez visto como se genera un TS, pasemos a explicar como se introduce la información en MPEG2 para después transfórmala en TS y enviarla por la red designada como medio de transmisión. Inicialmente tenemos un conjunto de codificadores MPEG2 para la información entrante, realmente, uno para cada conjunto de información diferente(vídeo, audio, datos, etc.). Una vez codificada la información se genera un TS, tal como se indica anteriormente. Los TS generados son entradas de un multiplexor MPEG2 que se encarga de remultiplexar todos los anteriores TS de forma que genera un único paquete TS.
Figura 5: Transformación de información en MPEG2 a TS
Después de este proceso, el TS se debe de adaptar a la red y al canal por el cual se va a transmitir. Para el caso de comunicación vía satélite, se utiliza la norma del estándar DVB, como ejemplo de esta norma se muestra la siguiente tabla.
Parámetro Codificación Audio Codificación Vídeo Canal Paquete Transporte Modulación
DVB-T MPEG1 MPEG2 8Mhz 188 bytes COFDM/ QPSK
DVB-C MPEG1 MPEG2 8Mhz 188 bytes QAM 16 / 64
DVB-S MPEG1 MPEG2 27-36Mhz 188 bytes QPSK
5.2 Dvb-Rcs (televisión digital con canal de retorno por satélite) El DVB-RCS fue especificado por un grupo técnico de ETSI en 1999.El sistema de DVB-RCS se especifica en ETSI 301790. DVB-RCS es una norma internacional abierta para redes de satélite multimedia, que define un canal de retorno por satélite utilizando terminales de usuario de bajo coste con velocidades de retorno de datos superiores a 2 Mbit/s. La velocidad de transmisión de datos del enlace de ida es de hasta 40 Mbit/s. Esta nueva tecnología ofrece conectividad de banda ancha para los enlaces ascendentes de usuario a velocidades hasta 35 veces superiores a los actuales módem terrestres (cuya velocidad es de 56,6 kbit/s), velocidades de enlace descendente de hasta 40 Mbit/s, y la capacidad de admitir múltiples números de abonados por transpondedor de satélite. A continuación se proporcionara una breve explicación sobre DVB-RCS, pero si se desea información mas especifica sobre el tema se recomienda la lectura de [11]. Funcionamiento La terminal de satélite del usuario o estación terrestre VSAT, recibe una transmisión a través del estándar DVB-S que previamente fue generada por una estación de eje de satélite o estación HUB. Los paquetes de datos son enviados a través de la conexión tal como se explicó anteriormente, pero, además, DVB-RCS proporciona la capacidad de transmitir desde el terminal del usuario por la misma antena hacia el HUB. Se utiliza una transmisión MF-TDMA, multi-frequency time división múltiple Access, para compartir la capacidad disponible para la transmisión por el terminal de satelite del usuario. Dado el tipo de transmisión, vía satélite, que conlleva poca privacidad en las transmisiones, (recordemos que en una transmisión vía satélite, todos pueden recibir la información enviada) se utilizan técnicas de cifrado para el canal de retorno como por ejemplo códigos Reed Salomon El estándar se diseña para tener independencia sobre las frecuencias a utilizar, es decir no se especifica la banda de frecuencia que debe utilizar, de esta forma se permite la construcción de una gran variedad de sistemas. Lo más interesante de este tipo de sistema es que los datos a transportar se pueden encapsular en celdas ATM, usando el protocolo AAL-5, ATM Adaption Layer, o utilizando encapsulado IP sobre transporte MPEG-2. Este formato, DVB, permite incluir mecanismos de seguridad. En la siguiente figura mostramos un ejemplo para el caso de transportar los datos en celdas ATM sobre IP.
Figura 6: Pila de protocolos del terminal del usuario
Los terminales DVB-RCS requieren un sistema de transmisión bidireccional a través de la antena o VSAT, para la transmisión y recepción en bandas de frecuencias acordes con el sistema de satélites. Los terminales DVB-RCS están conectados típicamente vía un cable (o el grupo de cables) con una unidad de interior, el segundo elemento de la VSAT. Modo de operación de la terminal de satelite Una terminal basada en los satélites del canal de retorno (RCST), en cuanto esta activa empieza a recibir información del centro de gestión de la red de DVB-RCS (NCC). El NCC proporciona a funciones monitorización y control que vigila y genera los mensajes del control y temporización requeridos para la operación de la red basada en los satélites. Todos los mensajes del NCC se envían usando los flujos de datos de transporte MPEG-2 (TS MPEG-2), en concreto utilizando DVB SI [9]. Éstos se transmiten a través de la conexión o enlace Hub-terminal de usuario. Las especificaciones de DVB-RCS utilizan, realmente, dos conexiones o enlaces - una para la información de control y otro para la transmisión de datos. Ambas conexiones se pueden se pueden proporcionar usando el mismo múltiplexor del transporte del DVB-S [9]. Lo más interesante de DVB-RCS es que la comunicación utiliza el mismo enlace de transmisión tanto para los datos del usuario como para la información de control. Otra característica interesante es el uso del mismo enlace, en concreto el enlace de retorno, para incluir en él información sobre el reloj del sistema, el cual se utiliza para asegurar la sincronización entre el terminal de usuario, HUB y las estaciones VSAT, con el fin de ajustar la frecuencia de transmisión utilizada en el modo de transmisión MF-TDMA. Todas las transmisiones del terminal de usuario son controladas por el NCC. Antes de que el usuario pueda enviar datos por su terminal, éste debe comunicarse con el NCC para establecer la configuración de la comunicación. Para ello se envía un mensaje de conexión a través del canal. Este mensaje no es mas que un mensaje de control. Como este canal se comparte entre varias terminales de usuario, se utiliza como protocolo de acceso el ALOHA ranurado.
Tras recibir un mensaje de conexión por parte una terminal de usuario el NCC devuelve una serie de parámetros de información denominados TBTP (Terminal Burst Time Plan). Esta información constituida en forma de tabla contiene información sobre la planificación temporal del sistema que será utilizada por el MF-TDMA del terminal de usuario con el fin de establecer las normas de acceso al canal, es decir, establecen el intervalo de tiempo en el que el terminal de usuario asignado para la transmisión de portadora. Esta información también viaja encapsulada en celdas ATM o TS MPEG y se utilizan varios métodos de codificación para terminar modulando la señal mediante QPSK. Una terminal de usuario se considera que ha salido de los sistemas en el momento que finaliza su comunicación, no obstante, el NCC, tiene la capacidad de cesar la comunicación de dicho terminal en caso que lo considere necesario. Bibliografía: [ 0]
REDES DE COMPUTADORAS. ANDREW S. TANENBAUM. PRENTICES HALL.
[ 1]
INFORME DEL GRUPO DE TRABAJO SOBRE EL USO DE TERMINALES DE APERTURA MUY PEQUEÑA (VSAT) EN LAS AMERICAS http://www.citel.oas.org/sp/CCP3/VSAT_report_1.html
[ 2]
GLOBAL VSAT FORUM: http://www.gvf.com
[ 3]
LA RED VSAT DE RACSA EN COSTA RICA. MAX CASTRO
http://www.ahciet.net/inalambricos/inalam99/conf/pdf/n025-028c.pdf [ 4]
INFORME "COMPILACIÓN DE LAS APLICACIONES DE REDES VSAT EN LAS AMÉRICAS"
http://www.citel.oas.org/sp/CCP3/VSAT_report_2.html [ 5] [ 6]
DVB WEB http://www.dvb.org ETSI WEB
http://www.etsi.org [ 7]
JORNADAS DE COMUNICACIONES 2000
http://www.jcom2000.com.ar/archivos/ [ 8] [ 9]
[10] [11]
INFORMACION SOBRE ESTANDARS DE DVB http://www.erg.abdn.ac.uk/public_html/research/future-net/digital-video/mpeg2-docs.html DVB:DIGITAL VIDEO BROADCASTING http://www. erg.abdn.ac.uk/public_html/research/future-net/digital-video/dvd.html IP OVER SATELLITE: “DVB-RCS” DIGITAL VIDEO BROADCAST – RETURN CHANNEL BY SATELLITE http://www.broadcastpapers.com/data/NewtecDVB%20-%20print.html CURSO:COMUNICACIÓN POR SATELITE. http://www.gr.ssr.upm.es/rcii/listatps.htm
