Verfügbarkeit und Fehlersicherung bei der ATM-Übertragung über Satellit

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1 Verfügbarkeit und Fehlersicherung bei der ATM-Übertragung über Satellit DLR Oberpfaffenhofen 1

2 Inhalt 4 Systemanforderungen 4 Eigenschaften des Satellitenkanals (Ka-Band) 4 Geeignete Fehlersicherungsverfahren 4 Erhöhung der Verfügbarkeit durch adaptive Fehlersicherungsverfahren 4 Schlussfolgerungen 2

3 Systemanforderungen Geforderte Zellverlustrate (CLR) für einige ATM-basierte Dienste CLR (Cell Loss Ratio): Anteil an verlorenen oder zu spät übermittelten Zellen Bei der ATM-Übertragung über Satellit können diese Anforderungen nicht immer erfüllt werden CLR Voice Interactive Video Interactive Data Transfer (Images) Transfer (Data) Maximum Cell Delay Variation (ms) [NTT] 3

4 Ursachen für Zellverluste bei der ATM-Übertragung über Satellit 4 Übertragungsfehler im Satellitenkanal (häufig) 4 Übertragungsfehler bei den ISLs (selten) 4 Übertragungsfehler im Festnetz (selten) 4 Überlast beim Vielfachzugriff (z.b. Pufferüberlauf im Terminal bei UBR Diensten) 4 Überlast (Pufferüberlauf) im ATM-Switch 4 Verwerfen nichtkonformer ATM-Zellen Verkehrsabhängig Broadband core network Internet Cache Im Folgenden: Berechnung der Zellverlustrate (CLR) aufgrund von Paketfehlern im Satellitenkanal 4

5 Eigenschaften des LEO-Satellitenkanals (Ka-Band) 4 Hohe Regendämpfung 4 Dämpfung durch Abschattungen: > 20 db 4 Kein Fading durch Mehrwegeausbreitung (wegen Richtantenne im Terminal) 4 Veränderliche Pfadlänge bzw. Freiraumdämpfung (Delay ca. 5 ms - 10 ms) Sat. Modem Mobile/Portable/Fixed ATM Terminal 5

6 Überschreitungshäufigkeit von Regendämpfungen Hohe Regendämpfung im Ka-Band, im Uplink (30 GHz) doppelt so hoch wie im Downlink (20 GHz) Percentage of time attenuation is exceeded [%] C-band 4 GHz E=40 Ku-band 12 GHz E=40 20 GHz E= Attenuation [db] Climatic Zone: Europe Polarisation: circular 30 GHz Ka-band E=20 E: Elevation Angle E=20 E=40 6

7 Was folgt aus der hohen Regendämpfung im Ka-Band? 4 Wegen der hohen Regendämpfung sind nicht beliebig hohe Verfügbarkeiten möglich 4 Zeitweise auftretenden stärkeren Regendämpfungen könnte sich das System adaptiv anpassen, z.b. mit h Erhöhung der Sendeleistung: i.a. nicht möglich, da Sendeleistung begrenzt h Reduktion der Kanalbitrate: h Wechsel zu Satelliten mit höherer Elevation: nicht bei allen Anwendungen zulässig, Trägerwechsel erforderlich nicht immer möglich h Adaptive Fehlersicherung: adaptive Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC), Wiederholverfahren (ARQ) 7

8 Geeignete Fehlersicherungsverfahren für die ATM-Übertragung über Satellit ATM Service Category CBR rt-vbr nrt-vbr ABR UBR CLR X X X X NO Guarantees Delay Variance X X NO NO NO Bandwidth X NO Error Control Method FEC none, FEC, ARQ UBR with MCR NO NO X none, FEC, ARQ X X X FEC FEC, ARQ FEC, ARQ Typical Application Voice, Audio, Video, TV,... VBR Video and Audio Data Transp., Frame Relay Data Transport, TCP/IP Data Transport, TCP/IP Data Transport, TCP/IP FEC: Forward Error Correction ARQ: Automatic Repeat Request 8

9 Pakete ohne und mit Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC) ATM-Zelle Korrigierbare Fehler ohne FEC: Preamble ATM- Header ATM-Payload CRC Header nur Fehlerdetektion bzw. 4 FEC mit ATM- Preamble Header ATM-Payload RS RS(80,64) code: Header 8 Byte Annahme für die Berechnung der Zellverlustrate (CLR): Paket wird verworfen, falls der Decoder das Paket nicht mehr decodieren kann (Paketfehler Zellverlust) 9

10 Wichtigste Systemparameter für die Leistungsanalyse der Fehlersicherungsverfahren ( Referenzsystem) Uplink: gross data rate 3100 kbit/s modulation scheme QPSK frequency (uplink) 30 GHz earth station transmitted power 4 W Tx antenna gain 37 dbi satellite Rx ant. gain at -4.3 db dbi satellite G/T 2.31 db/ K losses (implementation, pointing, output,...) 3.4 db Freiraumdämpfung: sinkt mit wachsendem Elevationswinkel (abnehmende Entfernung zum LEO-Satelliten) Regendämpfung: sinkt mit wachsendem Elevationswinkel (kürzere effektive Weglänge in der Regenwolke) 10

11 Freiraumdämpfung im Referenzsystem Veränderliche Freiraumdämpfung bei LEO-Systemen Konstellation Slant Range [km] E = 10 E = 20 LEO h = 1350 km Latitude B = 0 Inclination i = 45 f = 30 GHz E = t [min] Slant Range [km] E = 90 Free Space Loss [db] E: Elevation Angle Free Space Loss [db] 11

12 Leistungsfähigkeit einer Fehlersicherung mit einem RS(80,64)- Code im Referenzsystem Überschreitungshäufigkeit von Zellverlustraten (CLR) aufgrund von Regendämpfung Percentage of time CLR is exceeded [%] h/year 16.6 h/year no FEC, E=20 RS(80,64), E=20 E: Elevation CLR Uplink Climatic Zone: Europe Polarisation: circular no FEC, E=40 RS(80,64), E=40 12

13 Adaptive Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC) Verwendung eines zusätzlichen Zeitschlitzes zur Übertragung zusätzlicher Redundanz bei hoher Regendämpfung: FEC mit Turbo Code (Rate 1/2) & RS(80,64) Code: erster Zeitschlitz Preamble ATM- Header ATM-Payload RS Header Preamble zusätzlicher Zeitschlitz (falls verfügbar) Turbo Code FEC mit RS(160,64) Code: erster Zeitschlitz Preamble ATM- Header ATM-Payload RS Part 1 Header Preamble zusätzlicher Zeitschlitz (falls verfügbar) RS Part

14 Leistungsfähigkeit der Vorwärtsfehlerkorrekturverfahren Das Hinzuschalten des Turbo Codes kompensiert eine Regendämpfung von ca. 6.5 db (bei gleichbleibender Sendeleistung!) Packet loss probability iter. 2 iter. 6 iter. Turbo Code (rate 1/2) & outer RS(80,64) 6.5 db 6 db no FEC, n=66 byte p Bit 10-9 RS(160,64) RS(80,64) E c /N 0 [db] E c : Energie pro Bit 14

15 Erhöhung der Verfügbarkeit durch adaptive Vorwärtsfehlerkorrektur Verfügbarkeit im Referenzsystem Bei CLR=10-6 und E=20 wird der Turbo Code nur ca. 16 h pro Jahr benötigt! Availability [%] Uplink Climatic Zone: Europe Polarisation: circular % % 99.2 % 7 h/y 16.6 h/y 72.7 h/y Turbo Code (rate 1/2) & RS(80,64) RS(80,64) no FEC RS(160,64) CLR = 10-6 CLR = Elevation Angle [deg] Hours per year link is not available 15

16 Fehlersicherungsverfahren für IP über ATM über Satellit AAL5 Header + IP Datagram 1.0 x ATM-Zellen Verlorene ATM-Zellen sollten im ARQ-Verfahren wiederholt werden, da sonst der Verlust einer ATM-Zelle den Verlust des ganzen IP Datagramms nach sich zieht IP datagram transmission efficiency Selective Repeat ARQ for ATM cells 10-1 without ARQ for ATM cells 1460 byte IP datagram 9180 byte IP datagram byte IP datagram CLR 16

17 Schlussfolgerungen 4 Starke Regendämpfung im Ka-Band, besonders im Uplink keine beliebig hohen Verfügbarkeiten möglich 4 Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC) erhöht die Verfügbarkeit besonders für geringe Zellverlustraten FEC sollte für alle ATM Dienstklassen verwendet werden, z.b. RS(80,64) Code 4 Bei zeitweise stärkeren Regendämpfungen sollte ein Turbo Code (Rate 1/2) hinzugeschaltet werden (adaptive Fehlersicherung) 4 Bei IP über ATM über Satellit sollte zusätzlich Selective Repeat ARQ (auf Zell/Paket-Ebene) eingesetzt werden 17

18 Alte Folien 18

19 Eigenschaften des Satellitenkanals (Ka-Band) Häufigkeit der Regenintensität Regendämpfung = f(regenintensität, Frequenz, Elevation, Polarisation, Breitengrad) Percentage of time rainfall intensity is exceeded [%] Nieselregen leichter Regen starker Regen Europe Rainfall intensity [mm/h] Equatorial Region 87.6 h/year 19

20 Leistungsfähigkeit adaptiver FEC - Verfahren im Referenzsystem Überscheitungshäufigkeit bestimmer Zellverlustraten (CLR) Umschalten auf stärkere FEC, falls CLR > 10-6 : zu etwa 0.2 % der Zeit notwendig Percentage of time CLR is exceeded [%] RS(160,64) RS(80,64) Umschalten auf stärkere FEC no FEC 16.6 h/year 7 h/year CLR Uplink Climatic Zone: Europe Polarisation: circular 20 Elevation Turbo Code (rate 1/2) & RS(80,64) 20

21 Eigenschaften des Satellitenkanals im Ka-Band Häufigkeit der Regendämpfung Percentage of time attenuation is exceeded [%] C-band 4 GHz E=40 Climatic Zone: Equatorial Region Polarisation: circular Ku-band 12 GHz E=40 20 GHz E: Elevation Angle Ka-band 30 GHz E=40 E=20 E=20 E= Attenuation [db] 21

22 Protokollarchitektur Satellite ATM Terminal Application ILMI Satellite Radio Resource and Mobility Management ILMI S-MIB M-UNI SNMP M-UNI SNMP S-AAL AAL-X AAL-5 S-AAL AAL-5 ATM ATM L M E S-LLC Radio DLC S-MAC Radio PHY L M E S-LLC Radio DLC S-MAC Radio PHY Control Plane User Plane Management Plane Control Plane User Plane Management Plane 22

23 Fehlersicherung EPD ARQ, FEC FEC Terminal AAL ATM S-LLC S-MAC S-PHY ATM Service Category CBR, rt-vbr nrt-vbr ABR UBR Error Control Method (adaptive) FEC limited ARQ, (adaptive) FEC ARQ, (adaptive) FEC, hybrid ARQ not mandatory, ARQ, (adaptive) FEC Satellite ATM S-LLC S-MAC S-PHY ARQ, FEC FEC Error-prone Satellite- Channel channel modelling Normalized power / db Time /s 23

24 Dienste und Anwendungen (Auswahl) Voice CD quality audio Video conferencing and video telephony Broadcast TV quality video Multimedia applications Web browsing, file transfer, IP over ATM Network interconnection Standard Bit rate Mapping ATM services LD-CELP, ADPCM, SB-ADPCM, PCM kbit/s CBR MPEG-1 audio (MP3) kbit/s CBR MPEG audio FFT 384 kbit/s CBR H.261 p*64 kbit/s, p=1, 2,..., 30 rt-vbr, nrt-vbr, (CBR) JPEG MJPEG 1,..., 5 Mbit/s 1,..., 10 Mbit/s nrt-vbr, (CBR) nrt-vbr, (CBR) MPEG-2 2, 4, 6, to > 20 Mbit/s CBR, rt-vbr, nrt-vbr MPEG-4 64 kbit/s,..., 4 Mbit/s rt-vbr, (CBR) p*16 kbit/s, p=1, 2,... UBR, UBR with MCR, (ABR) p*16 kbit/s, p=1, 2,... nrt-vbr, (UBR, UBR with MCR, CBR, ABR) 24

25 Geeignete Fehlersicherungsverfahren für die ATM-Übertragung über Satellit 4 Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC, Forward Error Correction) + konstantes Delay - benötigt zusätzliche Bandbreite 4 Wiederholverfahren (ARQ, Automatic Repeat Request) + nur fehlerhafte Pakete werden wiederholt - variables Delay FEC, ARQ FEC M-UNI Signalling UNI SSCS Terminal Application S-AAL S-LLC S-MAC S-PHY ATM ATM CS Protokollstack AAL Satellit M-UNI Signalling UNI SSCS S-AAL ATM ATM CS S-LLC S-MAC S-PHY 25

26 Dienste und Systemanforderungen TCP/IP über ATM (realisiert z.b. durch UBR oder UBR mit MCR) Durchsatz und Zellverlustrate CLR %Throughput / maximum throughput E-01 1.E-02 1.E-03 1.E-04 1.E-05 1.E-06 1.E-07 1.E-08 1.E-09 CLR 26

27 Erhöhung der Verfügbarkeit durch adaptive Fehlersicherungsverfahren Codiergewinn iter. no FEC, n=66 byte Packet loss probability iter. p Bit 6 iter. 8.7 db Codiergewinn Turbo Code (rate 1/2) & outer RS(80,64) RS(160,64) RS(80,64) E b /N 0 [db] E b : Energie pro Infobit 27

28 Geeignete Fehlersicherungsverfahren für die ATM-Übertragung über Satellit Protokollstack Application M-UNI Signalling Terminal S-AAL AAL M-UNI Signalling Satellit S-AAL ATM ATM UNI SSCS ATM CS UNI SSCS ATM CS FEC, ARQ S-LLC S-LLC S-MAC S-MAC FEC S-PHY S-PHY 28