Wykład 07 z SB

dr inż. Krzysztof Hodyr
Systemy satelitarne
Sieci Bezprzewodowe
Część 7
Satelitarne systemy telekomunikacyjne
Podstawy prawne
Orbity typu LEO (Iridium, Globalstar)
Orbity niskie (LEO) – orbity kołowe lub eliptyczne, od 200 do
3000 km nad Ziemią. Obszar orbit ograniczony od dołu
gęstością atmosfery, a od góry tzw. strefami Van Allena (silne
promieniowanie jonizujące).
Okres obiegu Ziemi 90-150 minut, czas widoczności satelity
ponad horyzontem do 20 minut.
Promień obsługiwanego obszaru nie większy niż 3000-4000 km.
System globalny – konstelacja od kilkudziesięciu do kilkuset
satelitów na wielu orbitach.
Problemy – przenoszenie ruchu telekomunikacyjnego, silny
efekt Dopplera, szczątkowa atmosfera (degradacja orbity).
Orbity typu MEO (ICO, Odyssey)
Orbity średnie (MEO) – orbity kołowe, od 8000 do 12000 km nad
Ziemią.
Okres obiegu około 6 godzin, czas widoczności ponad
horyzontem – kilka godzin.
System globalny – konstelacja kilkunastu satelitów, na trzech
odpowiednio przesuniętych orbitach kołowych.
Problemy – gorszy bilans energetyczny łącza, przenoszenie
ruchu telekomunikacyjnego pomiędzy kolejnymi satelitami.
Zalety – ekonomiczniejszy w stosunku do systemów LEO.
Zalety – dobry bilans energetyczny łączy, małe opóźnienie
propagacyjne.
Orbity typu HEO (MOLNIYA, TUNDRA)
Orbity typu GEO (Astra, Thuraya, VSAT)
Orbity silnie eliptyczne (HEO) – perigeum około 500 km,
apogeum do 50000 km.
Orbity geostacjonarne (GEO) – kołowe, leżące w płaszczyźnie
równika na wysokości 35786 km (lub 42168 km licząc od środka
Ziemi).
Czas widoczności – do kilkunastu godzin, ale użyteczna część
tego okresu, podczas której prędkość kątowa satelity pozostaje
prawie niezmienna wynosi od 4 do 8 godzin.
Zwykle systemy dla wydzielonego obszaru Ziemi o cechach
podobnych do systemów geostacjonarnych, tzn. aktywny
satelita jest prawie nieruchomy w stosunku do punktów na
powierzchni Ziemi i widoczny pod bardzo dużym kątem elewacji
Problemy – trudności w stabilizowaniu orbity, zmienne
tłumienie i opóźnienie propagacyjne sygnału radiowego,
ograniczony czas życia (przelot przez strefy Van Allena).
Czas widoczności – nieruchomy dla obserwatora ze względu na
okres obiegu satelity równy okresowi obrotu Ziemi.
Globalne pokrycie (z wyjątkiem obszarów podbiegunowych) –
zastosowanie tylko kilku satelitów, np. 4 w systemie INMARSAT.
Problemy – niekorzystny bilans energetyczny łącza, duże
opóźnienie propagacyjne (ponad 250 ms), trudna dostępność
orbit.
Zalety – łatwe zarządzanie ruchem telekomunikacyjnym – brak
konieczności częstego przenoszenia ruchu między satelitami
Zalety – podobny do systemów geostacjonarnych.
1
Zakresy częstotliwości
Zakresy częstotliwości
W paśmie 1-3 GHz funkcjonują:
w zakresie częstotliwości L
- 1610,0-1626,5 MHz, łącza ziemia-kosmos
- 1613,8-1626,5 MHz, łącza kosmos-ziemia
w zakresie częstotliwości S
- 2483,5-2500 MHz, łącza kosmos-ziemia
Wykorzystują je systemy LEO świadczące podstawowe usługi
telefoniczne i umożliwiające lokalizację terminala (Globalstar).
Poniżej 1 GHz przypisano służbom satelitarnym m.in. wąskie
zakresy między 137 a 470 MHz. Pasma te są stosowane przez
systemy LEO do wolnej transmisji danych oraz przez satelity
nawigacyjne i meteorologiczne.
Zakresy częstotliwości
Pasmo C (4 – 8 GHz) jest stosowane głównie w satelitarnych
łączach dosyłowych. Nie przewiduje się jego stosowania w
satelitarnych systemach szerokopasmowych.
Zakresy częstotliwości
Pasma X i Ku (10 – 18 GHz) są obecnie eksploatowane przez
radiodyfuzję satelitarną i systemy satelitarnej transmisji danych.
Kanał zwrotny (od abonenta) jest realizowany w paśmie Ka.
Pasmo Ku jest stosowane przez SES Astra i Eutelsat i będzie
wykorzystane do tworzenia systemów szerokopasmowych.
Architektura systemów satelitarnych
Architektura systemów satelitarnych
2
Architektura systemów satelitarnych
Segment naziemny
Centrum zarządzania systemu – nadzoruje działanie całości
sieci. Mogą być w nim wydzielone regionalne centra zarządzania
oraz może być ono wspomagane przez ruchome naziemne
centra kontroli.
Centrum zarządzania segmentem kosmicznym – nadzoruje stan
i ruch satelitów roboczych i rezerwowych sieci. Dokonuje
zdalnych odczytów parametrów urządzeń satelity, nieznacznych
korekty orbit oraz zmian statusu satelity (roboczy, rezerwowy,
wyłączony).
Centrum obsługi abonentów – nadzoruje komutowanie połączeń
oraz realizuje funkcje taryfikacyjne.
Stacje bazowe (Gateway) – zapewniają styki sieci z naziemną,
szkieletową siecią telekomunikacyjną.
Segment naziemny
Platforma cyfrowa DVB-S
DVB-S (ang. Digital Video Broadcasting - Satellite) wyznacza
nowoczesny standard radiodyfuzji satelitarnej i świadczenia
usług szerokopasmowych. Została zatwierdzona przez ETSI
standardem ETS 300 421.
Wykorzystując pojedynczy transponder satelitarny DVB-S o
przepływności 38 Mb/s można zapewnić abonentom naziemnym:
4-8 standardowych kanałów telewizyjnych,
2 kanały telewizyjne wysokiej rozdzielczości (HDTV),
150 programów radiowych,
550 kanałów transmisyjnych ISDN po 64 kb/s,
inne usługi szybkiej i wolnej transmisji danych
Stacja bazowa SpaceCom Systems (Chicago) i terminale
Ericsson R290 (GSM900/Globalstar)
Platforma cyfrowa DVB-S
Na platformie DVB-S zaimplementowano m.in.:
DVB-S z kanałem zwrotnym przez
sieć PSTN
standard kodowania MPEG-2 (ang. Moving Picture Experts
Group) dla sygnałów audio i wideo,
mechanizm dostępu warunkowego CA (ang. Conditional
Access) z kanałem zwrotnym poprzez publiczną sieć
telefoniczną (PSTN), przez sieć cyfrową z integracją usług ISDN
lub przez łącze satelitarne.
Rozwiązanie z kanałem zwrotnym poprzez sieć PSTN zwane
jest Turbo-Internet.
3
Platforma cyfrowa DVB-S
Platforma DVB została opracowana dla ruchu niesymetrycznego.
Podstawową jednostką transmisji danych w DVB-S jest kontener
o pojemności 188 bajtów, a metodą modulacji - QPSK.
Pięć sposobów transmisji danych:
- Data Pipe (danociąg) - bezpośredni pakietowy transport danych
pomiędzy użytkownikami końcowymi
- Data Streaming (transport strumieni danych) – transmisja
asynchronicznych, synchronicznych lub synchronizowanych
strumieni danych
- Multi-protocol Encapsulation MPE (wieloprotokołowe
kapsułkowanie) - emulacja sieci LAN
- Data Carousels (karuzele danych) - periodyczna transmisja
zbiorów danych różnego typu i formatu
- Object Carousels (karuzele obiektów) - podobny do Data
Carousels, dane są formatu DVB Network Independent Protocol
System ACES
System ACES
System satelitarnej telefonii komórkowej ACES (Asia Cellular
Satellite) został zbudowany w firmie Lockheed, a jego
właścicielem jest ACES International Limited, z siedzibą w
Hamilton na Bermudach.
Zaprojektowany do obsługi maksymalnie 2 mln użytkowników.
Połączenia pomiędzy terminalami dokonywane są tylko przez
satelitę.
Oferuje transmisję sygnałów mowy, faksów i danych 2,4 kbit/s.
Zasięg – 24 kraje z 60% światowej populacji ludzi
Segment kosmiczny – satelita GEO na orbicie 1230E (docelowo
dwa satelity)
Centrum zarządzania w Batem (Indonezja), trzy stacje regionalne
– Jakarta w Indonezji, Bangkok w Tajlandii oraz na Filipinach.
Planowane stacje regionalne w Indiach i na Cejlonie.
Obszar pokrycia systemu ACES
Terminale użytkowników
W systemie ACES są stosowane trzy rodzaje terminali:
doręczne,
pojazdowe,
stacjonarne.
Podstawowym rozwiązaniem jest doręczny osobisty satelitarny
telefon dwusystemowy np. Ericsson R190. Osobisty telefon
użytkownika waży 210 gramów. W opinii producenta jest to
najmniejszy na świecie telefon satelitarny.
System był często wykorzystywany w wyprawach na Mt. Everest
i K2 w Himalajach.
System Thuraya
Obszar pokrycia systemu Thuraya
Zrealizowany przez firmy Boeing i Hughes. Właścicielem systemu
jest Thuraya Satellite Telecommunications Company, z siedzibą
w Abu Dhabi, w Zjednoczonych Emiratach Arabskich.
Segment kosmiczny – 2 satelity na orbitach GEO, pierwszy na
wysokości 35783 km na 510 E, drugi na wysokości 35768 km na
420 E.
Centrum zarządzania w Sharjah w Z.E.A., pełniące też funkcje
gateway'a. W planach jest utworzenie sieci stacji regionalnych
pośredniczących w dostępie do sieci telekomunikacyjnych PSTN.
4
System Thuraya
Antena główna satelity, przeznaczona do obsługi łączy
ruchomych, wytwarza 250 wąskich wiązek, z których każda na
powierzchni Ziemi oświetla obszar komórki o średnicy 450 km.
Antena składa się z szyku 128 dipoli zaopatrzonych w płaski
siatkowy reflektor o eliptycznym kształcie i aperturze 12,25 x 16
m. Formowanie i położenie wiązek jest kontrolowane przy użyciu
specjalnego procesora, którego oprogramowanie umożliwia
także zmianę szerokości wiązki, w celu dostosowania rozmiaru
komórki do aktualnego ruchu telekomunikacyjnego.
Oprócz anteny głównej na satelicie są zainstalowane dwie anteny
do łączności ze stacjami naziemnymi, których reflektory mają
średnicę 1,27 m. Czas pracy satelitów przewidziano na 12 lat.
Elementy systemu Thuraya
System Thuraya
Połączenia pomiędzy terminalami użytkowników są dokonywane
przez satelitę, na którego pokładzie jest dokonywana komutacja
takich połączeń.
Wykorzystano modulację π/4 QPSK. Szerokość pasma kanału
radiowego wynosi 27,7 kHz, przy zastosowaniu wielodostępu
typu TDMA/FDMA, w którym ramka składa się z ośmiu szczelin
czasowych.
Przepustowość kanału wynosi 46.8 kb/s
Terminale satelitarne THURAYA pracują w paśmie L (uplink
1,6265 do 1,6605 GHz, downlink 1,525 do 1,559 GHz). Terminal
oferuje następujące podstawowe usługi telekomunikacyjne:
- transmisja sygnału mowy
- transmisja danych i łączność faksowa z prędkością 9,6 kbit/s.
System Globalstar
Zaprojektowany przez Loral Space & Communications oraz
Qualcomm.
Segment kosmiczny – na orbitach LEO (wys. ~1400 km) zdołano
umieścić 48 z planowanych 64, tracąc przy tym 12 satelitów.
System ma status operacyjny i obsługuje 69 tys. użytkowników.
W systemie możliwa jest transmisja mowy i danych 9,6 kbit/s.
Obszar pokrycia systemu Globalstar
Inne systemy
Iridium – opracowany przez koncern Motorola w latach 1987-1990
66 satelitów aktywnych plus 6 zapasowych na orbitach LEO (wys.
~780 km).
VSAT Clearlink 400 – w Polsce to 2 stacje nadzorujące (HUB)
sieci zlokalizowane w Porębach Leśnych. Stacja HUB/VSAT
Clearlink 400 została uruchomiona w 1993 roku, zaś HUB/VSAT
FTDMA w 2000 roku. Stacje pracują poprzez satelitę EUTELSAT
W3 na pozycji 70 E.
W Polsce usługi VSAT świadczą m.in. takie firmy jak:
Telekomunikacja Polska S.A., Telbank S.A., Pagi VSAT S.A.,
Telenor Satellite Polska S.A., LINIA SAT firmy TDC Internet
Polska S.A., QUANT oraz iSAT.
5
Stacja VSAT w Porębach Leśnych
Intelsat
Intelsat – Światowy system łączności powstały w 1964 roku.
Jest aktualnie największą organizacją satelitarną umożliwiającą
świadczenie następujących usług:
-
połączenia telefoniczne (głos i dane)
połączenia punkt-punkt (stałe i tymczasowe)
sieci korporacyjne (VSAT)
satelitarny dostęp do internetu
serwisy wideo
24 satelity GEO w czterech regionach: AOR, IOR, POR, APR
(Atlantic Ocean Region, Indian Ocean Region, Pacific Ocean
Region, Atlantic Pacific Region). Korzystają z niego operatorzy
telekomunikacyjni z ponad 200 krajów świata.
Intelsat
Inmarsat
Intelsat – Segment naziemny składa się z około 1000 stacji
standardu A-F oraz kilku tysięcy stacji standardu G (o małym
rozmiarze anten). Wykorzystywane są zakresy częstotliwości C i
Ku. W przypadku anten wyższych klas możliwa jest transmisja w
łączu satelitarnym z przepływnością rzędu 2 Mb/s.
Inmarsat – Globalny system ruchomej łączności satelitarnej ze
swoim pierwotnym przeznaczeniem dla służb morskich. Powstał
w 1979 r, rozpoczynając pracę operacyjną trzy lata później.
Centrum zarządzania systemem znajduje się w Waszyngtonie.
Segment kosmiczny składa się z 4 satelitów geostacjonarnych
operacyjnych oraz 5 rezerwowych na orbicie. Umieszczone są w
strefach Oceanu Atlantyckiego - wschodnia AOR-E i zachodnia
AOR-W, Oceanu Indyjskiego IOR oraz Oceanu Spokojnego POR.
Występuje kilka realizacji systemu Inmarsat.
Inmarsat A
Inmarsat A – system analogowy, najstarszy. Zapewnia
komunikację telefoniczną (FM) i teleksową (BPSK) terminalom
znajdującym się na statkach w całym obszarze między 75°N a
75°S. Może być też wykorzystywany na lądzie w miejscach
trudnodostępnych i przy braku infrastruktury
telekomunikacyjnej. Standard Inmarsat-A jest elementem
globalnego systemu łączności "na ratunek" (GMDSS - Global
Maritime Distress and Safety System). Transmisja może się
odbywać z maksymalną szybkością od 1,2 do 64 kb/s.
Inmarsat B
Inmarsat B – cyfrowa odmiana systemu Inmarsat A.
Zapewnia realizację następujących usług:
-
transmisja głosu - 16 kb/s i danych - 9,6 kb/s
szybka transmisja danych do 64 kb/s
łączność na ratunek (GMDSS)
dostęp do sieci telefonicznej PSTN, ISDN, teleksowej
Od poprzedniego systemu odróżnia się mniejszymi antenami i
wielkością terminali. Waga przenośnego terminala tego
standardu nie przekracza 22 kg.
6
Inmarsat C
Inmarsat C – system transmisji danych w łączności ruchomej.
Umożliwia realizację usług takich jak Inmarsat B, ale
charakteryzuje się jeszcze mniejszymi terminalami. Terminal
waży około 5kg a antena nie wymaga pozycjonowania.
Ważnym zastosowaniem standardu Inmarsat C jest zarządzanie
transportem i załadunkiem. Może być stosowany w systemach
monitorowania i kontroli natężenia ruchu, aktywności
sejsmicznej, warunków atmosferycznych czy jakości wody. Jest
ważnym elementem systemu GMDSS. System ten używany jest w
komunikacji morskiej, powietrznej i lądowej.
Inne systemy Inmarsat
Inmarsat M
Inmarsat M – występuje w odmianach morskiej i lądowej. W
wersji lądowej są to przenośne terminale walizkowe bądź
montowane w pojazdach. Anteny tego standardu to albo płaskie
anteny stanowiące pokrywę walizki, albo anteny z reflektorem
parabolicznym o średnicy ok. 40 cm z ręcznym ustawieniem
położenia (wystarczy jedynie w przybliżeniu zorientować antenę
na satelitę i można nawiązać łączność satelitarną).
Inmarsat M zapewnia transmisję danych i faksów o
przepływności 2,4 kbit/s oraz kanał telefoniczny o przepływności
6,4 kbit/s. Łączność w tym systemie charakteryzuje się wysokim
stopniem niezawodności i jakości sygnału bez zaników i szumu.
Obszar pokrycia Inmarsat mini-M
Inmarsat mini-M – system znajdujący szczególne zastosowanie
na obszarach pozbawionych infrastruktury telekomunikacyjnej
(PSTN, GSM). Umożliwia on realizację cyfrowych połączeń
telefonicznych, telefaksowych oraz transmisję danych.
Przenośne, walizkowe terminale rozmiarami są zbliżone do
książki formatu A4 i ważą wraz z bateriami do 2.5 kg. Anteny
stosowane w tych terminalach są płaskie i stanowią pokrywę
walizki.
Prędkość transmisji głosu - 4,8 kbit/s, faksu i danych - 2,4 kbit/s.
Nieodłączną częścią terminala jest karta SIM, która aktywizuje
terminal oraz stanowi identyfikator abonenta, pozwala również
kodować przesyłane informacje. System numeracji jest
analogiczny do schematu obowiązującego w przypadku połączeń
międzynarodowych.
Inmarsat M4, Inmarsat F – nowo wprowadzane standardy.
Podstawy prawne
Organ nadzorujący wykorzystanie pasm radiowych w Polsce –
Prezes Urzędu Komunikacji Elektronicznej (UKE)
Urząd Komunikacji Elektronicznej (UKE) podlega Ministerstwu
Transportu i Budownictwa
Akty prawne są publikowane na witrynie UKE
www.uke.gov.pl
oraz na witrynie Ministerstwa Transportu i Budownictwa
www.mtib.gov.pl
Podstawy prawne
Zakładanie i eksploatację sieci telekomunikacyjnych, w tym
sieci radiowych, regulują podstawowe akty prawne:
ustawa Prawo telekomunikacyjne (z dnia 16 lipca 2004 r. Dz.U. Nr 171, poz. 1800, Nr 273, poz. 2703 z 2004 r. i Nr 163,
poz. 1362 z 2005 r.),
ustawa o systemie oceny zgodności (z dnia 30 sierpnia 2002 r.
- Dz.U. Nr 166, poz. 1360),
ustawa Prawo budowlane (z dnia 7 lipca 1994 roku - tekst
jednolity Dz.U. z 2000 r. Nr 106 poz. 1126, oraz Dz.U. z 2001r.
Nr 129, poz. 1439),
ustawa Prawo ochrony środowiska (z dnia 27 kwietnia 2001
roku - Dz.U. Nr 62, poz. 627)
7
Podstawy prawne
Podstawy prawne
Publiczne sieci telekomunikacji przewodowej lub radiowej
mogą być zakładane przez osoby posiadające odpowiednie
uprawnienia do pełnienia samodzielnych funkcji technicznych
w budownictwie telekomunikacyjnym.
Do instalacji urządzeń radiowych wymagane jest uzyskanie
oceny ich oddziaływania na środowisko, o ile wytwarzane
przez nie pola elektromagnetyczne w.cz. przekraczają wartości
określone w rozporządzeniu Ministra Ochrony Środowiska,
Zasobów Naturalnych i Leśnictwa z 11 sierpnia 1998 r. w
sprawie szczegółowych zasad ochrony przed
promieniowaniem szkodliwym dla ludzi i środowiska,
dopuszczalnych poziomów promieniowania, jakie mogą
występować w środowisku, oraz wymagań obowiązujących
przy wykonywaniu pomiarów kontrolnych promieniowania
(Dz.U. 1998 nr 107 poz. 676).
Wymagania dla uzyskania takich uprawnień oraz tryb ich
wydawania reguluje rozporządzenie Ministra Łączności z 10
października 1995 roku w sprawie samodzielnych funkcji
technicznych w budownictwie telekomunikacyjnym (Dz.U. z
1995 r. Nr 120, poz. 581 oraz Dz.U. z 2001 r. Nr 71 poz. 741).
Eksploatacja sieci bezprzewodowych
wymaga posiadania przez jej operatora:
właściwego uprawnienia do świadczenia usług
telekomunikacyjnych, jeżeli sieć jest siecią publiczną
pozwolenia na używanie urządzeń radiowych
w szczególnych przypadkach - rezerwacji częstotliwości
dokumentów, stwierdzających że zainstalowane w sieci
urządzenia telekomunikacyjne, podlegające obowiązkowej
ocenie zgodności (dotyczy to w szczególności wszystkich
radiowych urządzeń nadawczych i nadawczo-odbiorczych)
spełniają wymagania ustawy (tzw. świadectwa homologacji)
Uprawnienie do świadczenia usług
zezwolenie telekomunikacyjne, udzielane przez Prezesa UKE
na podstawie przepisów art. od 7 do 13 Prawa
telekomunikacyjnego - jeżeli sieć jest publiczną siecią
telefoniczną lub publiczną siecią przeznaczoną do
rozprowadzania lub rozpowszechniania programów
radiofonicznych lub telewizyjnych,
zgłoszenie Prezesowi UKE, z co najmniej 28-dniowym
wyprzedzeniem, zamiaru podjęcia zmierzonej działalności
telekomunikacyjnej nie wymagającej konieczności
uzyskiwania zezwolenia telekomunikacyjnego. Brak reakcji
Prezesa UKE na zgłoszenie, tj. nie wydanie przez niego decyzji
administracyjnej w sprawie sprzeciwu względem zgłoszenia
(Prezes ma na to 21 dni od dnia wpływu zgłoszenia)
upoważnia przedsiębiorcę do podjęcia zgłoszonej działalności
telekomunikacyjnej.
Rozporządzenie MI z 24.10.2005 r
Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 24 października
2005 r. w sprawie urządzeń radiowych nadawczych lub
nadawczo-odbiorczych, które mogą być używane bez
pozwolenia radiowego (Dz. U. Nr 230, poz. 1955) określiło
szereg grup takich urządzeń.
Aneks nr 3 do tego rozporządzenia specyfikuje przyjęte w
Polsce zakresy częstotliwości i parametry techniczne
urządzeń przeznaczonych dla szerokopasmowych systemów
transmisji danych:
2400,0 – 2483,5 MHz
5150 – 5250 MHz
5250 – 5350 MHz
5470 – 5725 MHz
17,1 – 17,3 GHz
100 mW e.i.r.p. 10mW/1MHz
200 mW e.i.r.p. 0,25mW/25kHz
200 mW e.i.r.p. 10mW/1MHz
1 W e.i.r.p. 50mW/1MHz
100 mW e.i.r.p.
8