Prenos podataka – Satelitske...
Transcript of Prenos podataka – Satelitske...
Prenos podataka – Satelitske komunikacije
296
13. Satelitske komunikacije
Glavni elemenat satelitskog komunikacionog sistema predstavlja antena-ugradjena na satelitu. Satelit
je lociran na fiksnoj orbiti iznad Zemlje. Kod satelitskog komunikacionog sistema dve ili veći broj stanica koje na površini Zemlje mogu biti, šta više, i blizu jedna drugoj mogu da komuniciraju preko jednog ili većeg broja satelita. Sateliti kod ovakvog tipa komuniciranja ponašaju se kao relejne stanice. Antenski sistemi koji se nalaze na Zemlji ili blizu Zemlje nazivaju se zemaljske stanice (Earth Stations). Prenos signala od zemaljske stanice ka satelitu se naziva uplink, dok prenos od satelita ka zemaljskoj stanici je poznat kao downlink. Elektroniku u satelitu koja prihvata uplink signal, a konvertuje ga u downlink, naziva se transponder. Postoje brojne ralike izmedju satelitsko- i zemaljsko-baziranih komunikacija, a one se mogu iskazati kroz sledeća zapažanja:
a) oblast pokrivanja satelitskog sistema daleko premašuje zemaljski sistem. Tako na primer, za slučaj
geostacionarnog satelita, sa jednom antenom vidi se skoro četvrtina Zemljine kugle. b) cena prenosa kod satelitskih komunikacija je skoro nezavisna od rastojanja (odnosi se na oblast
pokrivanja satelita). c) kod satelitske komunikacije prenosni kanali su veoma širokog propusnog opsega, a prenos podataka
se ostvaruje pri velikim brzinama. d) satelitske veze su često puta podložne kratkotrajnim smetnjama i degradacijama, ali i pored toga
kvalitet prenosa je dosta visok. e) kod geostacionarnih satelita postoji propagaciono kašnjenje Zemlja-Satelit-Zemlja od 1/4s.
13.1. Satelitska orbita
Satelitske orbite je moguće klasifikovati na veći broj načina:
1) orbita je kružna pri čemu je centar Zemlje centar kruga, ili eliptična pri čemu je centar Zemlje jedan od dva fokusa elipse. 2) orbita je ekvatorijalna ako se satelit nalazi direktno iznad ekvatora, polarna ako prolazi iznad oba pola, dok se ostale orbite nazivaju inclined. 3) shodno visini u odnosu na Zemlju sateliti se mogu nalaziti u geostacionarnoj orbiti (GEO- Geo Earth Orbit), srednjoj zemaljskoj orbiti (MEO - Medium Earth Orbit), ili u niskoj zemaljskoj orbiti (LEO - Low Earth Orbit)
Prenos podataka – Satelitske komunikacije
297
13.2. Rastojanje
Na Slici 13.1 prikazana je geometrija kojom se odredjuje pokrivenost satelita. Ključni faktor je ugao elevacije zemaljske stanice, θ , (tangenta na površinu Zemlje na lokaciji antene, tj. horizontalna linija usmerena ka glavnom snopu antene, obično elevacija glavnog snopa je o0 ). Ugao pokrivanja, β , je mera koja ukazuje na deo površine Zemlje vidljiv od strane satelita ( β obično definiše krug na površini Zemlje centriran u tački direktno ispod satelita).
Sledeće jednačine su važeće:
( ) ( )( )θ
θβπθ
θβπ
πθ
αcos
cos
2sin
2sin
2sin
sinhR
R +=
+
−−
=
+
=+
gde je: R - radijus Zemlje, 6370 km h - visina orbite (visina od tačke na Zemlji direktno ispod satelita) β - ugao pokrivanja θ - minimalni ugao elevacije
α
β
θ
o90R
h
RZemlja
Satelit
Slika 13.1 Uglovi pokrivanja i elevacija
Rastojanje od satelita do najudaljenije tačke pokrivanja se izračunava kao
Prenos podataka – Satelitske komunikacije
298
( )( )θβ
πθ
βcossin
2sin
sinhR
d=
+
=+
( )
αβ
θβ
sinsinR
cossinhRd =
+=
dok se propagaciono kašnjenje signala odredjuje kao
( )
( )ββ
coscsinhR2t
ch2 +
≤≤
gde je sm103c 8×= , brzina prostiranja svetlosti.
13.3. Geostacionarni sateliti
GEO sateliti su danas najčešći tipovi korišćenih komunikacionih satelita. GEO satelit se nalazi na kružnoj orbiti 36853 km iznad površine Zemlje i rotira u ekvatorijalnoj ravni Zemlje sa istom brzinom sa kojom rotira i Zemlja. Pod ovakvim uslovima satelit ostaje uvek iznad iste tačke ekvatora pa se zbog toga naziva geostacionarni. Na Slici 13.2 prikazani su položaji GEO satelita u odnosu na Zemlju.
Orbita : 35.863 kmu ravni ekvatora
= satelit
Slika 13.2 Položaji satelita u geostacionarnoj orbiti
Prenos podataka – Satelitske komunikacije
299
Prednosti GEO orbita su sledeće:
a) s obzirom da je pozicija satelita, relativno u odnosu na Zemlju, stacionarna ne postoje problemi sa Doppler-ovim efektom. b) praćenje satelita sa zemaljske stanice je pojednostavljeno. c) na visini od km36853 satelit može da komunicira sa četvrtinom zemaljske kugle, a sa tri satelita, razdvojenih za 0120 moguće je komunicirati sa celom Zemljom, isključujući severni i južni pol.
Nedostaci GEO orbita su sledeći:
a) snaga signala na prijemu je mala nakon prolaska km35000 . b) polarni regioni oko severnog i južnog pola su slabo pokriveni GEO satelitima. c) i pored velike brzine svetlosti postoji kašnjenje signala, koje za dve lokacije direktno ispod satelita iznosi ( ) s24.0300000358632 =∗ , što je značajno vreme. Da bi se rešio problem kašnjenja koriste se LEO i MEO sateliti.
13.4. LEO sateliti
Osnovne karakteristike LEO satelita (vidi Sliku 13.3 a)) su:
a) kružna ili slabo naglašena eliptična orbita na visini od 2000 km. b) period orbite je od 5.1 do 2 časa. c) dijametar pokrivanja je 8000 km. d) propagaciono kašnjenje (Zemlja-satelit-Zemlja - round-trip-propagation signal) je manje od 20 ms. e) maksimalno vreme za koje je satelit vidljiv sa fiksne tačke na Zemlji je do 20 minuta. f) s obzirom da se satelit kreće u odnosu na fiksnu tačku na Zemlji jako je izražen efekat Doppler-a.
Praktično korišćenje sistema LEO satelita iziskuje korišćenje većeg broja orbitalnih ravni, svaka sa većim brojem satelita u orbiti. Komunikacija izmedju dve zemaljske stanice obično podrazumeva handing-off signala sa jednog satelita na drugi.
Veliki broj komercijalnih predloga je učinjen za korišćenje cluster-a LEO satelita kako bi se obezbedili komunikacioni servisi. Predloge možemo svvrstati u dve kategorije:
1. Mali LEO - namenjeni za rad na frekvencijama ispod 1 GHz, koriste propusni opseg ne veći od 5 MHz, a podržavaju brzine prenosa podataka do 10 kbps. Namenjeni su za praćenje i slanje poruka sa malim bitskim brzinama prenosa. 2. Veliki LEO - rade na frekvencijama iznad 1 GHz, a podržavaju brzine prenosa podataka do nekoliko Mbps. Podržavaju sve servise tipa LEO kao i prenos govora.
13.5. MEO sateliti
Osnovne karakteristike MEO satelita (vidi Sliku 13.3b)) su:
1) kružna orbita na visini od 5000-12000 km 2) perioda orbite je 6 časova 3) dijametar pokrivanja je od 10000-15000 km 4) round-trip propagaciono kašnjenje je manje od 50 ms 5) maksimalno vreme za koje je satelit vidljiv sa fiksne tačke na Zemlji (iznad radio horizonta) iznosi nekoliko časova.
Prenos podataka – Satelitske komunikacije
300
MEO sateliti imaju manji broj handoff-a u odnosu na LEO satelite.
a) b)
Slika 13.3 LEO i MEO orbite
13.6. Frekventni opsezi
Na Slici 13.4 prikazana je lista frekventnih opsega koji su dostupni za satelitske komunikacije. Uočimo da propusni opseg raste sa porastom frekvencije. Ali, na žalost, sa porastom frekvencije i efekat transmisionog slabljenja postaje sve izraženiji.
Band Frekverntni opseg Totalni propusni
opseg Opšte aplikacije
L 1 do 2 GHz 1 GHz Mobile satellite service (MSS)
S 2 do 4 GHz 2 GHz MSS. NASA. deep space research C 4 do 8 GHz 4 GHz Fixed satellite service (FSS) X 8 do 12.5 GHz 4.5 GHz FSS military. terrestrial earth
exploration. and meteorological satellites
Ku 12.5 do 18 GHz 5.5 GHz FSS. broadcast satellite sarvice (BSS)
K 18 do 26.5 GHz 8.5 GHz BSS. FSS Ka 26.5 do 40 GHz 13.5 GHz FSS
Slika 13.4 Frekventni opsezi kod satelitskih komunikacija
Prenos podataka – Satelitske komunikacije
301
13.7. Satelitske mrežne konfiguracije
Na Slici 13.5 prikazane su dve standardne konfiguracije kod satelitskih komunikacija.
Zemaljskastanica
Satelitska antena
Satelitska antena
a) Veza tačka-ka-tački
više prijemnikaviše prijemnika
predajnik
b) Veza bradcast
Slika 13.5 Konfiguracije kod satelitskih komunikacija
Kod prve, satelit se koristi da obezbedi vezu tipa tačka ka tački izmedju dve različite zemaljske antene. Kod druge, satelit obezbedjuje komunikaciju izmedju jednog predajnika na Zemlji i većeg broja Zemaljskih prijemnika. Varijanta druge konfiguracije koja se koristi za dvosmernu komunikaciju izmedju dve Zemaljske stanice prikazana je na Slici 13.6.
Prenos podataka – Satelitske komunikacije
302
Ku -bandsatelit
Udaljenipoložaj
UdaljenipoložajUdaljeni
položaj
Server
Hub
PC
Slika 13.6 Tipična VSAT konfiguracija
Napomena: VSAT - very small aperture terminal system
13.8. Dodela kapaciteta - frekventna raspodela
Obično, GEO satelit koji koristi širok propusni opseg od 500 MHz deli ovaj opseg na veći broj manjih kanala širine 40 MHz.
Strategije koje se odnose na dodelu kapaciteta propusnog opsega se mogu svrstati u sledeće tri kategorije:
1) FDMA (frequency division multiple access) 2) TDMA (time division multiple access) 3) CDMA (code division multiple access)
O CDMA dodeli govorili smo u delu Prenos signala u proširenom spektru, zbog toga u daljoj diskusiji ograničićemo se na dodele (alokacije) tipa FDMA i TDMA. 13.8.1. FDM (Frequency Division Multiplexing)
Kao što smo naglasili ukupni kapacitet komunikacionog satelita se deli na veći broj kanala. Na Slici 13.7 prikazana je jedna FDM šema, tipična za GEO komunikacione satelite. Konkretnije, ova šema se koristi od strane satelita Galaxy. Sateliti koriste frekvencije C-opsega (propusni opseg od 500 MHz) podeljen na 24
Prenos podataka – Satelitske komunikacije
303
kanala, svaki širine 40 MHz. Svaka frekvencija se prenosi od strane dva nosioca sa ortogonalnom polarizacijom. Razmak izmedju kanala (guardband) je 4 MHz, što znači da je širina kanala 36 MHz.
C19C17C15C13C11C9C7C5C3 C23C21C1
C20C18C16C14C12C10C8C6C4 C24C22C2
3700
3700
4200
4200
4 MHzzaštitni opseg36
MHz
3720
418041404100406040203980394039003860382037803740
41604120408040404000396039203880384038003760 f (MHz)
f (MHz)
500 MHz propusni opseg
a) Horizontalna polarizacija
a) Vertikalna polarizacija Slika 13.7 Frekventni plan transpondera za downlink kanale
Napomena: Za uplink plan dodati 225 MHz na zadate brojne vrednosti
Svaki od kanala se može koristiti za brojne namene, a neke od tipičnih su: • 1200 govornih kanala • jedan kanal kapaciteta 50 Mbps • 16 kanala, svaki kapaciteta 1.544 Mbps • 400 kanala, svaki širine 64 kbps • jedan analogni video signal • 6 do 9 digitalnih video signala
Na osnovu prethodnih sagledavanja uočili smo da se satelit koristi kao posrednik kod veza tipa tačka ka tački izmedju dve radio stanice. Takodje smo napomenuli da se frekventni opseg može ponovo koristiti ako se upotebe antene koje zrače signale na istoj frekvenciji (kokanale) u ortogonalnim ravnima (horizontalna i vertikalna).
U praksi se koriste sledeće dve forme FDMA tehnika:
1. FAMA (Fixed Assignement Multiple Access) 2. DAMA (Demand Assignement Multiple Access)
Prenos podataka – Satelitske komunikacije
304
13.8.2. FAMA - FDMA
Na Slici 13.8a prikazan je primer FAMA-FDMA dodele, kod koje sedam zemaljskih stanica deli uplink kapacitet od 36 MHz. (Slična dodela važi i za downlink smer prenosa.) Kao što se vidi sa Slike 13.8, stanici A je dodeljen propusni opseg od 5 MHz (od 6237.5 do 6242.5 MHz) u kome se mogu prenositi 60 VF kanala koristeći FDM-FM (FDM se koristi za prenos 60 kanala, a FM (Frequency Modulation) za modulaciju kanala na nosećoj frekvenciji 6240 MHz). Kao što se vidi sa Slike 13.8 b) saobraćaj izmedju stanica A i B se ostvaruje po 24 kanala, izmedju A i D takodje po 24 kanala, a izmedju A i E po 12 kanala. Ostali spektar do 36 MHz izmedju ostalih zemaljskih stanica deli se prema potrebama saobraćaja.
132 VF 24VF
96 VF60 VF 60 VF 24VF
24VF
Stanica B Stanica D
Stanica EStanica F
Stanica G
Stanica C
6237.5 6242.562226220
62586260 ( )MHzf
36 MHz propusni opseg
Predati spektar za stanicu A
a)
Supergrupni multiplekser sa
frekevntnom raspodelom
FM predajnik
kaB
GHz24.6fC =
( ) FM/FDMts =
ka satelituFDM signal
60 VF kanala( )tmb
kaE
kaD
kaD
kaB
12 kHz 252 kHz
( )kHzf
( )fMb
kHz240
ka stanici
B
ka stanici
B
ka stanici
D
ka staniciE 6237.5 6242.5
6240 ( )MHzf
( )tS
b)
Slika 13.8. Fiksna dodela FDMA formata kod satelitske komunikacije
Prenos podataka – Satelitske komunikacije
305
13.8.3. DAMA - FDMA
Prvi komercijalno dostupan DAMA-SCPC (Single Channel Per Carrier) sistem (vidi Sliku 13.9) bio je SPADE (Single Channel Per Carrier, Pulse Code Modulation Multiple Access Demand Assignement) uveden na satelitima INTELSAT. Svaki podkanal prenosi 64 kbps QPSQ (Quadrature Phase Shift Keying) signal, koji zauzima opseg od 38 kHz, plus 7 kHz za razdvajanje. Obično signal se koristi za prenos PCM kodiranog govornog signala. Ukupno je dostupno 794 podkanala. Ovi kanali se uparuju tako da dva kanala udaljena medjusobno za 18.045 MHz mogu da se uvek koriste za vezu tipa potpuni dupleks (full duplex), tj. uparuju se 3 i 404, 4 i 405, ..., 399 i 800. Pored toga, postoji i zajednički kanal za potrebe signalizacije (CSC - Common Signaling Channel) širine 164 kHz po kome se prenose PSK (Phase Shift Keying) signali brzinom 128 kbps.
. . .. . .f
3 654 399 404
QPSKsignali
36 MHz propusni opseg
400 - 403 (neiskorišćeni)Zajednički kanal
za sinhronizaciju
Propusni opseg38 kHz
Zaštitni opseg7 kHz
800
a) frekventna alokacija
PCMkoder
PCM koder
QPSKpredajnik
QPSKpredajnik
∑QPSKsignal
QPSKsignal
PCM64 kbps
PCM64 kbps
Telefonski VF signal(0 – 4 kHz, analogni)
Telefonski VF signal(0 – 4 kHz, analogni)
.
.
.
.
.
.
ka satelitu
b) Moguća konfiguracija QPSK SCPC predajnika
Prenos podataka – Satelitske komunikacije
306
PA PAS49S3S2S1 S1
1 ms128 bitova
1 frame = 50 ms = 6400 bitova
...
t
c) TDMA CSC format okvira
Slika 13.9 SPADE satelitski komunikacioni sistem za komutirane SCPC servise
13.9. Dodela kapaciteta - vremenska raspodela
I pored toga što se FDM tehnike standardno koriste kod satelitskog prenosa, u zadnje vreme, TDM tehnike nalaze sve veću primenu.
Prenos kod TDM-a se svodi na slanje repetitivnih sekvenci okvira (frames), pri čemu je svaki okvir podeljen na veći broj vremenskih delova (slotova). Položaj (mesto položaja) svakog slota u sekvenci okvira je namenjen za pojedini predajnik. Period okvira se nalazi u opsegu od 100 µs do 2 ms i čine je od 3 do 100 vremenskih slotova.
Na Slici 13.10 prikazan je tipičan format okvira. Obično okvir počinje sa dva referentna paketa (burst) koji definišu početak okvira. Dva paketa se šalju od strane dve zemaljske različite stanice, i obezbedjuju da sistem radi korektno čak i kada jedna od referentnih stanica bude u kvaru. Svaki referentni paket počinje nosiocem i sinhronizirajućom sekvencom (bit timing recovery pattern) koja je jedinstvena i koja obezbedjuje da se sve stanice sinhroniziraju na glavni takt. Svakoj od N stanica dodeljen je po jedan ili veći broj vremenskih slotova u okviru okvira. Preambula sadrži upravljačku i vremensku informaciju plus identifikaciju odredišne stanice.
Prenos podataka – Satelitske komunikacije
307
Stanica 1 Stanica 2 Stanica 3 NN-1
podaci okoordinaciji
Preambula Informacija
Mrežno upravljanje, zahtevijedinstvena
rečIdentifikacija
stanice
Paket podataka stanice
Referentni burst
nosioc i sinhronizirajuća
sekvenca
nosioc i sinhronizirajuća
sekvenca
Zaštitni vremenski period
Period okvira
Slika 13.10 Jedan tipičan format TDMA okvira
Na Slici 13.11 opisan je rad FAMA-TDMA. Pojedine zemaljske satelitske stanice koriste uplink kanal i predaju podatke o paketu u definisanim vremenskim jedinicama. Satelit na principu repetitora šalje ka Zemlji sve dolazeće pakete i predaje ih svim zemaljskim stanicama. Na ovaj način sve zemaljske stanice znaju ne samo vremenski trenutak (slot) koji im je dodeljen za prenos nego i koji vremenski trenutak da koriste za prijem. Satelit, takodje, predaje i referentni paket kojim se vrši sinhronizacija svih zemaljskih stanica.
Prenos podataka – Satelitske komunikacije
308
Stanica 1 Stanica 2 Stanica 3
Format okvira
Paketni podslot
Prenos paketnog
slota
Medju-paketnozaštitno vreme
a) Uplink
Prenos podataka – Satelitske komunikacije
309
Stanica 1 Stanica 2 Stanica 3
Prenos iz stanice 1
Prenos iz stanice 1
Prenos iz stanice 2
Prenos iz stanice 3
b) Downlink
Slika 13.11 Princip rada FAMA-TDMA