NOWOCZESNE TECHNOLOGIE DOSTĘPU, MODULACJI

I MULTIPLEKSACJI W SYSTEMACH SATELITARNYCH

TENDENCJE ROZWOJOWE J. Pawelec B.Grochowina

M. BykowskiK. Strzelczyk

Satelity Loral Space & Communications

(TOTAL GEO ~1000)

Satelity Loral Space & Communications

(TOTAL GEO ~1000)

Satelity cywilne w strefie 20-40 EH-HDTV, DT-Dig.TV, AT-Anal.TVDR -Digital radio, AR-Anal.radio

-ASTRA 1C,1E,1F,1G,1H,2C (19.2E) 4 657 45 305 31 397AFRISTAR (21.0E) 0 0 0 111 0 0EUTELSAT W6 (21.5E) 0 33 0 0 0 21ASTRA 1D (23.0E) 1 1 0 0 0 0ASTRA 3A (23.5E) 2 146 0 49 0 48ARABSAT 2A,2C,2D,3A (26.0E) 0 215 22 114 16 16ASTRA 2A,2B,2D (28.2E) 0 328 0 114 0 261EUROBIRD 1 (28.5E) 0 265 0 76 0 49.....................................XTAR EUR (29 E) ...............................ARABSAT 2B (30.5E) 0 50 1 14 0 2TURKSAT 1B (31.3E) 0 5 0 0 0 3EUROBIRD 3 (33.0E) 0 2 0 0 0 17INTELSAT 802 (33.0E) 0 1 0 1 0 3EUTELSAT SESAT,W4 (36.0E) 0 179 0 74 0 7PAKSAT 1 (38.0E) 0 9 0 0 0 1HELLAS SAT 2 (39.0E) 1 111 0 18 0 18

EXPRESS A1R, AM1 (40.0E) 0 19 0 12 0 6

H DT AT DR AR Data

Główny obszar pokrycia XTAR Główny obszar pokrycia XTAR

Pojęcia podstawoweOrbita geostacjonarna H36.000 km. GEO i LEOTłumienie wolnej przestrzeni L=(/4r)2 200 dB  Współczynnik szumówTemperatura (systemowa) szumów T=Ta+(F-1)290

Eb/No=EIRP(dBW)–L(dB)+G/T(dB/K)–k(dB/HzK)-R(dBb/s)

Pi=EIRP-L=70-200= -130dBW; T=300+(13-1)29036dB; G=36dB G/T=36-36=0dB; No=kT=-228.6+36 -192dB; Pw=Pi+G -94 dBPw/No= -94+192= 98 dBHz; Eb/No=Pw/No-R(100Mb/s)= 18 dBc

1)/(

)/(

wyszs

weszs

PP

PPF

STACJANAZIEMNA 1 TRANSPONDER

STACJANAZIEMNA 2

Parametry łączyPasma: Ogólnie 1 – 300 GHz (UHF, SHF, EHF)

L 1-2, S 2-4, C 4-8, X 8-12, Ku 12-18, K 18-27, Ka 27-40, W 40-100 GHz

Radiokomunikacja ruchoma (np. morska) – pasmo L, ok. 1,5 GHzRadiokomunikacja stała,

pasmo C, łącze satelita-ziemia: 3,7 - 4,2 GHz (500 MHz)łącze do satelity 5,925 - 6,425 GHz pasmo Ku, łącze doziemne: 10,95 - 11,2 oraz 11,45-11,7 GHzłącze do satelity: 14 - 14,5 GHz

Sondy kosmiczne, wojsko, służby specjalne - pasmo X, ~8 GHz Kanały częstotliwości: 4 kHz, 45 kHz,1 MHz, 36 MHz, 72 MHzModulacje: Przeważnie o stałej obwiedni, BPSK, QPSK w połączeniu z DS i FH, także /4DQPSK i QAMPolaryzacje: Przeważnie kołowe RHCP i LHCPMoceTranspondery – dziesiątki watów, EIRP – dziesiątki dBW Dopuszczalne gęstości mocy na jednostkę powierzchni przy Ziemi -setki (ujemne) dBW/m2 w zależności od kąta padania fali i częstotliwości.

 Moce Moce transponderów – dziesiątki watówEIRP – dziesiątki dB Dopuszczalne gęstości mocy na jednostkę powierzchni przy Ziemi -setki (ujemne) dBW/m2 w zależności od kąta padania fali i częstotliwości.

Systemy małej mocyJedna duża antena umożliwia komunikację z dziesiątkami małych.System typowo asymetryczny, protokoły TCP/IP, dostęp DAMA. Parametry: EIRP < 57 dBW w paśmie 40 kHz (12,5 W/Hz),zysk anteny <52 dBi, szybkość transmisji < 2 Mb/s. Tysiace stacjiVSAT – Very Small Aperture Terminal; SNG – Satellite News Gathering; TES –

Transportable Earth Station; SIT – Satellite Interactive Terminal

Satellite dish

Satellite dish Satellite dish

Satellite

Polscy operatorzy satelitarni Centrum Uslug Satelitarnych, Psary ’74, Inmarsat C (POLPAK) TTcomm (Technology Transfer Com.)’96. Udział kapitału USA i

Holandii. Bandwidth on Demand (BOD) Pagi S.A., Głównie VSAT, dostępność 99,5% TP SAT, głównie VSAT, połączenia z sieciami INMARSAT i in. TELEBANK S.A. ’92, VSAT i in.,Skystar, DAMA Data Trans. Spzoo ‘97, Sieci transmisji danych, GTECH Corp. Polish Phone Sat. Spzoo ’94, Dwukierunkowy Internet iSAT Spzoo, FTDMA, Skyadvantage VSAT System S.C., ’96, Radiodyfuzja, wielopunkt Kempa Satellite Networks Spzoo, Internet (IP File) AWAKS Spzoo, Obsługa sektorów siłowych (tajność) SILTEC Spzoo, Obsługa sektorów siłowych Plus GSM, Roaming satelitarny via Eutelsat 3A - Thuraya

Systemy dużej mocyPodstawowym kryterium podziału systemów jest przeznaczenie,

np. nawigacja, ratownictwo, telekomunikacja, rozpoznanie, wywiad, dowodzenie.

Wyróżnikiem jest również zakres wykorzystywanych częstotliwościKolejnym kryterium podziału jest sposób dostępu do medium

transmisyjnego: FDMA, TDMA, FTDMA, CDMA (SDMA, PDMA)Największe firmy: INTELSAT (1964, ok. setki sat., tys. stacji naz.)INMARSAT, EUTELSAT, ASTRASAT, HUGHES, INTERSPUTNIK

 Przykłady Early Bird (‘65) – pierwszy satelita, łącze USA- UK, 240 kanałów INMARSAT, A, B, C, F, M, P – gównie komunikacja morskaGLOBSTAR – radiokomunikacja ruchoma, ratownictwo DSCS I-IV, MILSTAR – armia USASYRACUSE – armia francuskaXTAR-EUR – armia hiszpańska (dzierżawa pasm przez Danię,

Słowację, Łotwę, Polskę)

DSCS III - XTARDSCS. 6 satelitów (2 zapasowe)Częstotliwość – UHF 225 - 512 MHz (konwertery)X 7,9– 8,4 GHz (do satelity) oraz 7,25 – 7,75 GHz (od), Ka~30

GHzKanały 60 i 85 MHz. Liczba kanałów telefonicznych 2x1300Transmisja danych 100 Mb/sKodowanie mowy – VSDM. Modulacja - Frequency HoppingMoce EIRP 25-45 dBW. Zyski anten 17 – 33 dBiObszar pokrycia jednej wiązki 3x3 tys. km. Całkowity obszar - glob XTAR: Jeden satelita 290 E, pasmo XMoc 20 dBW, G/T=–74, EIRP 38-49 dBWAnteny stacji naziemnych 1,7 6,3 m, liczba kanałów 12/72 MHz Pokrycie – Europa-Azja-Afryka, stałe i zmienne strefy Wariant polski: Afganistan 1,7m 128 kb/s, Bośnia 2,4m, 256 kb/s Wzgórza Golan 1,7m, 64 kb/s, Irak ?

Stacja matka 6,3m, 7.56 MHz $700.000/rok, sprzęt $10 mln.

Rodzaje dostępuDostęp losowy

Pr. wystąpienia K zgłoszeń w czasie przy intensywności wynosi

Dla K=0 (brak kolizji) otrzymujemy

Jednocześnie P(0) możemy przedstawić jako stosunek zaakceptowanych zgłoszeń do ogólnej liczby zgłoszeń, P(0)= a/.

Stąd porównując oba równania otrzymamy

Po wymnożeniu gęstości zgłoszeń przez otrzymamy

gdzie = - przepływność (throughput), a G – ruch [b/s]

eK

KPK

!

)()(

eP )0(

GGe

ea

ro=1/e

0 0.5 1 G NATĘŻENIE RUCHU

Dostęp na żądanie - DAMADAMA – Demand Assignment Multiple Access

SPADE – Single channel-per-carrier PCM multiple Access Demand

assignment Equipment

Satellite dish

Koncentratori

przełącznik

MODEMY

MULTI

PLEKSER

NADAJNIKODBIORNIK

Procesor Modem sygnałowy

123.

800CSC

Satellite

Dostęp na żądanie (2)Podział medium - FDMA, tylko kanał sterujący CSC – TDMA

Kanały głosowe przetworzone metodą PCM na strumienie 64 kb/s

Nałożenie - metodą QPSK, indywidualne nośne, pasma 45 kHz

Każdy z transponderów ma pasmo 36 MHz, obsługuje 800 kanałów

Kanały są dynamicznie przydzielane na żądanie (DAMA)

Służy do tego celu specjalny kanał Common Signaling Ch. (BPSK)

Stacje znają aktualne obciążenie spektrum (kanały wolne)

Pilot

Częst. pośrednie 52 MHZ 70 MHZ 88 MHZCzęst. nośne sat. 6302 MHZ 6320 MHZ 6338 MHZCzęst. nośne doziemne 4077 MHZ 4095 MHZ 4113 MHZ

CommonSignalingChannel160 kHz

145kHz

245kHz

40045kHz

... 145kHz

245kHz

40045kHz

...

Dostęp TDMAWady FDMA: intermodulacje, straty mocy na podnośne, mała elastyczność - wymagane konwertery, utrudniona komunikacja między wiązkami, różne standardy PCM dla Europy i Ameryki.

TDMA: All stations transmit and receive on same frequency

No intermodulation

High throughput for

high access rate

Dostęp SS-TDMASS-TDMA- Satellite Switched TDMA

Zaleta: nie jest wymagana precyzyjna synchronizacja, taniość

Satellite

Satellite dish

Satellite dish

Satellite dish

Satellite dish

Satellite dish

Satellite dish

We

Cd Bd Ad

Szczeliny T1 T2 T3 T1 + T2 + T3 Ramka

Au

Bu

Cu

Cd

Bd

Ad

T1

SS-TDMA (2)Stacje A, B, C wysyłają w ramach swych wiązek skierowanych do

satelity (u – up) ramki złożone ze szczelin T1, T2, T3 odpowiadających różnym użytkownikom.

Załóżmy, że zawartości szczelin oznaczonych kropkami mają być przesłane do stacji C w ramach wiązki d (d- down), szczelin oznaczonych kreskami – do Bd, a nieoznaczonych – do Ad.

Selekcji tej dokonuje specjalna stacja Switching dish. W okresie szczeliny T1 połączenia w matrycy wejście-wyjście są tak ustawione, że przekazują zawartość szczeliny Au do Cd, Bu do Bd, a Cu do Cd.

W okresie następnych szczelin połączenia te ulegają odpowiedniej zmianie tak, że w efekcie wszystkie szczeliny kropkowane (użytkownika N) trafiają - zgodnie z przeznaczeniem - do stacji Cd, kreskowane – do Bd, a nieoznaczone – do Ad.

Oczywiście możliwy jest dowolny inny podział.

SS-TDMA - multipleksacja

1 2 24 F... 1 2 24 F...

Ramka Nyquista 125 us, nr 1(2x4 kHz), 193 bity

Ramka Nyquista 125 us, nr 16(2x4 kHz), 193 bity

...

Próbki 8-bitowe, 2 ms x 1,544Mb/s=3088 bitów

RB1 RB2PREAM

BUŁA

ODSTACJI

A

PREAM

BUŁA

ODSTACJI

N

...

Redukcja2 ms do25,6 us

120,832 Mb/s

1,544 Mb/s

Bufor 1

Bufor 2

Paczkiwyjsciowe

Zegar strumieniaszybkiego - wyjscie

Zegar strumieniawolnego - wejście

Ciągłystrumień

wolny

Multiplexing is a transmission future, while access is a traffic futureMultiplexing is a transmission future, while access is a traffic future

SS-TDMA multipleksacja (2)

W ramach szybkości grupowej 120 Mb/s ramki abonenckie 2 ms są ścieśniane ~80 razy i tworzą paczki (bursts). 80 takich paczek zajmuje łącznie też 2 ms.

Realizację procesu kojarzenia ramek umożliwiają bufory B1, B2.Stacja naziemna wprowadza dane w sposób ciągły (z szybkością

1,544 lub 2,048 Mb/s!) do jednego z buforów B1 lub B2 (który wolny). Kiedy np. bufor B1 się zapełni, bufor B2 wyrzuca swą zawartość z szybkością 120,832 Mb/s.

W następnym cyklu ich role się zamieniają miejscami. Dołączone zegary kontrolują precyzyjnie szybkości transmisji i momenty emisji ramek.

Po stronie odbiorczej następuje demultipleksacja, tzn. paczki są rozdzielane na ramki zgodnie z odpowiednimi adresami i ulegają spowolnieniu do prędkości 1,54 Mb/s.

Systemy AA/TDMA, DA/TDMA

Dostęp AA/TDMA (advanced – wspólny kanał dostępu dla wielu abonentów)

Firma: TTcomm S.A. Satelita Intelsat 1.1 W Psamo Ku Topologia sieci – gwiaździsta Protokoły: X25, TCP/IP, SNA/SDLC, X3PAD Szybkość transmisji 9.6 –64 kb/s Interfejsy RS-232C, LAN 802.3 Anteny 1,2 1,8 2,4m Moce wejście/ wyjście 200/20W (VSAT)

DA/TDMA – Demand Assignment TDMA

System BGAN (global point-to-point)

Broadband Global Area Network Firma: Inmarsat, Thuraya (R-BGAN), EADSC Satelita i pasmo – Eurostar E3000, Ka Prędkość podstawowa 432 kb/s (kompat. z 3G) Terminal abonencki: Antena 1 Kompas 2 Karta SIM Bateria 4 Zasil.zew. USB 6 Wskaźnik Ethernet

XTAR -pokrycie makro i polskie stacje

Afganistan- W-wa-Afganistan

TX 1,7m 128 kb/s-0,19 MHz

RX 1,7m 128 kb/s-2,28 MHz

Afganistan- W-wa-Afganistan

TX 1,7m 128 kb/s-0,19 MHz

RX 1,7m 128 kb/s-2,28 MHz

Bośnia -W-wa -Bośnia

TX 2,4m 256k/0,42MHz

RX 2,4m 256k/2,56MHz

Bośnia -W-wa -Bośnia

TX 2,4m 256k/0,42MHz

RX 2,4m 256k/2,56MHz

Irak -W-wa- Irak ~2 MHz?Irak -W-wa- Irak ~2 MHz?

XTAR – niektóre daneJoint Venture - Loral Space Com.USA i HISDESAT Hiszpania, $137 mln/5Siedziby: Rockwille Md, Arlington Va, Palo Alto Ca, Madrid.

Specjalizacja: Comsat rządowy i militarny w paśmie X Pierwszy satelita - XTAR-EUR 2005, XTAR–IO 2006

Dane z ćwiczeń w Niemczech Ogólna ocena (wytwórcy) – osiągi lepsze niż DSCS IV Większa moc transponderów, ulepszenia terminali (AN/TSC-85C) i anten (LHGXA oraz taktyczne 2.4m) Nowy modem Advantech AMT (Phoenix Az) Nowe fidery Dorvala i Harrisa – 25 lat, RHSP+ LHSP

W modemach modulacja 16QAM oraz kody Reeda-Solomona ¾Uzyskano szybkości transmisji 105 Mb/s dla anteny 5m i 75 Mb/s 2.4Próbowano również prędkości powyżej 8.448 Mb/s.

Dane modemówModulacja 16QAMPrzekształca 4-bitowe bloki danych w falę sinusoidalną o 4

poziomach amplitudy (1,±3) i odpowiednich fazach (rys.)

Kody Reeda-SolomonaKody blokowe, wyróżniają się stałą odległością Hamminga d=n-k

W XTAR zastosowano kod o sprawności ¾, np. 192/255

Kod taki jest w stanie poprawić do 31 błędów w bloku

Q

I

)cos( 0t

)sin( 0t

+

Qs(t)

I

Modulacja DQPSK Wyróżnia się dużą odpornością na zaniki selekty-wne

i nie wymaga koherentnego układu detekcji

Pozwala na znaczne zwiększenie szybkości trans-misji przy niewielkiej komplikacji układowej, HDTV

Q

I

4/

T

0

)cos( 0t

T

0)sin( 0t

)(

)si

n()

/2

sin(

)co

s()

/2

cos(

)(

0

0

tn

tM

i

tM

it

r

arctanX/Y

min|ˆ| i

1 nn

)(ˆ tsi

X

Y

Wątpliwości do XTAR Kodowanie R-S o sprawności ¾ oraz modulacja 16QAM powinny

przynieść lepsze współczynniki wykorzystania pasma, tymczasem mamy np.256kb/s z 420kHz? Ponadto, gdzie te 105 Mb/s (jest 64- 256)? Modulacja QAM (niestała obwiednia) wywołuje zakłócenia!

Nie wiadomo dokładnie, jakie wprowadzono nowości do modemu, poza 16QAM (equalizatory, antyjamming, turbo)?

Jakie faktyczne szybkości osiąga się z pasma 7MHz? Nie wyjaśniono wykorzystania asymetrii łączy, np. 190/2280kHz Nie wiadomo, ile zajmuje kanał telefoniczny (4,8 kb/s?) Nie znany jest dokładnie system dostępu (jaki TDMA?) Satelita pracuje w paśmie X. Brak pasma UHF i Ka (jak DSCS) Kompletna terra incognita w zakresie utajnianie. Mówi się ogólnie,

że system jest discreet, protected (jedynie TT&C - encrypted) Nie wiadomo, jakie zastosowano rodzaje interfejsów i protokołów Niska niezawodność operacyjna - tylko jeden satelita! Wysokie koszty eksploatacji (>2 mln/rok).

Wnioski Increased mobility, a wider range of personalized and inter-

active services, broadband services, more equal access to all services

Technika satelitarna skupia, jak w soczewce najnowsze i największe osiągnięcia naukowe i technologiczne. Technika ta stała się obecnie opłacalna i przynosi duże dochody (USA, sat- commerce - $100 mld). Stąd sięgają po nią także mniejsze bądź biedniejsze państwa, jak Brazylia, Holandia, ostatnio Hiszpania

Wciąż drogie jest pasmo, stąd opłacalne stają się wszelkie techniki optymalizacyjne: mody, kody, equalizatory, detektory

Przyszłość należy widzieć w podboju wyższych częstotliwości widma (~100 GHz) i wykorzystaniu łączy optycznych (także w komunikacji doziemnej, np. łodzie podwodne)

Należy przewidywać dalsze obniżanie kosztów, rozszerzanie usług, także wzrost udziału LEO oraz dynamiczny rozwój VSAT

Poważnym problemem staną się interferencje między poszczególnymi systemami satelitarnymi

Rola Instytutu? Włączanie się w umiarkowanym zakresie w badania i przyswajanie nowej wiedzy i technologii, także niszowy biznes, np. VSAT, pi/4DQPSK+turbokody, detekcja, EMK,...

Literatura

1. B. Sklar, Digital Communications, Prentice Hall 20022. Fourth United Nations Conference: Space com.,Wiena 19993. XTAR-EUR System, Hisdesat 20054. R. Zieliński,”KEM w komunikacji satelitarnej” ITA 19995. G. Maral, VSAT Networks, Wiley 19956. J. Pawelec, Radiosterowanie i łączność kosmiczna, WKŁ’917. K. Strzelczyk i inni, „Współpraca mobilnych obiektów łączności poprzez łącza satelitarne...” WIŁ 20048. Artykuły IEEE Transactions, serie COM, SAC, VCT, 2004 9. Internet 2004/5