Prenos podataka – Satelitske komunikacijees.elfak.ni.ac.rs/rmif/Prenos-podatak-februar-2011/Pre.-pod- 2010... · Prenos podataka – Satelitske komunikacije 297 13.2. Rastojanje

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)


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


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


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.


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


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.


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


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)


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


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


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


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


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.


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.


308

Stanica 1 Stanica 2 Stanica 3

Format okvira

Paketni podslot

Prenos paketnog

slota

Medju-paketnozaštitno vreme

a) Uplink


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

Documents

Prenos podataka – Satelitske komunikacijees.elfak.ni.ac.rs/rmif/Prenos-podatak-februar-2011/Pre.-pod- 2010... · Prenos podataka – Satelitske komunikacije 297 13.2. Rastojanje