PRZYSZŁOŚĆ TECHNIK SATELITARNYCH

PRZYSZŁOŚĆ TECHNIK PRZYSZŁOŚĆ TECHNIK SATELITARNYCHSATELITARNYCH

Prof. dr hab. inż. Józef ModelskiProf. dr hab. inż. Józef Modelski

Instytut Radioelektroniki Instytut Radioelektroniki

Wydział Elektroniki i Technik Informacyjnych PWWydział Elektroniki i Technik Informacyjnych PW

Przegląd perspektyw rozwojuPrzegląd perspektyw rozwoju technik technik satelitarnych i technologii kosmicznych w dwóch satelitarnych i technologii kosmicznych w dwóch horyzontach czasowych: roku 2012 i 2020horyzontach czasowych: roku 2012 i 2020

2PRZYSZŁOŚĆ TECHNIK SATELITARNYCH

Plan prezentacji

Rodzaje orbit satelitarnych Usługi stacjonarne Usługi ruchome Perspektywy rozwoju rynku usług satelitarnych Prognoza zapotrzebowania na usługi Przepustowość kanału transmisyjnego Standard emisji satelitarnej drugiej generacji DVB-S2 Telewizja cyfrowa Perspektywy uruchomienia radia satelitarnego w Europie Konkurencyjne systemy transmisji danych• naziemne • platformy stratosferyczne Podsumowanie


Rodzaje orbit satelitarnych

Niskoorbitalne 700 - 1500 km (LEO -Low Earth Orbit ) Średnioorbitalne 10000 – 15000 km (Medium Earth Orbit - MEO)

Geostacjonarne 35 810 km(Geosynchronous Earth Orbit - GEO)

źródło: http://http://www.zsi.pwr.wroc.pl/missi2000/

Eliptyczne EEO, HEOHEO (ang. Highly Eliptical Orbit) Molnya ~12hrTundra ~24hr

źródło: http://en.wikipedia.org/wiki/Molniya_orbit


Rodzaje orbit satelitarnych

Typ orbit LEO MEO GEO HEO

Wysokość (km) 700 – 150010000 –

1500036000 500- 50000

Konieczna liczba satelitów

>40(świat)

10 – 15(świat)

3 – 4(świat)

2-3 (region)

Możliwość uruchamiania etapami

Nie Tak Tak Nie

Opóźnienie [s] 0,05 0,1 0,25 0,2-0,4

Kąt elewacji Niskiśredni –

wysokiniski –

średniwysoki

Przełączanie połączeń Często Rzadko Nigdy Rzadko

Penetracja budynków Słaba Słaba Brak Brak

Penetracja centrów miast Średnia Średnia Średni Duża

Możliwość używania terminali ruchomych

Tak Tak Tak Tak


Rodzaje orbit satelitarnych - Wady

GEO Duże opóźnienia Niski stosunek C/N (Carrier-to-Noise), bardzo duża bitowa stopa

błędów (BER) Mała pojemność systemu, mała efektywność widmowa Duże tłumienie sygnału Konieczna duża moc stacji naziemnej przy transmisji do satelity Niska widoczność nad horyzontem na terytorium Polski Drogie i skomplikowane satelity, duża moc nadawania

LEO : konstelacja w ciągłym ruchu pokrycie powierzchni Ziemi symetryczne względem równika brak wyróżnionych długości geograficznych małe, ale zmienne opóźnienia Duża awaryjność satelitów


Satelitarne Centrum Usług

Głównie Telewizja...

ale także dane oraz głos

Problemy: duże opóźnieniaduża wrażliwość na warunki atmosferyczneduże tłumienie propagacyjne

Kanał Zwrotny

Systemy satelitarne


Usługi stacjonarne FSS (Fixed Satellite Systems)

radiodyfuzja DBS (Direct Broadcast Satellite) transmisja programów telewizyjnych (standard DVB-S/DVB-S2)

oraz radiowych

połączenia telefoniczne

sieci transmisji danych VSAT (Very Small Aperture Terminal)

transmisje okazjonalne

sieć rezerwowa dla systemów naziemnych sieci specjalne: samoloty, pociągi, statki itp.

szybki dostęp do internetu szerokopasmowe systemy interaktywne


Usługi ruchome MSS (Mobile Satellite Systems)

łączność z obiektami ruchomymi (statki, samoloty, pojazdy naziemne):

Inmarsat

satelitarne systemy telefonii komórkowej: Iridium, Globalstar (orbity LEO) Thuraya, AceS (orbita GEO)

systemy transmisji krótkich wiadomości: Orbcomm (orbity LEO, globalny)

PRZYSZŁOŚĆ TECHNIK SATELITARNYCH

Transmisje interaktywne dwukierunkowa szerokopasmowa transmisja danych przez satelitę kanał zwrotny - pasmo Ka (30 GHz) specyfikacja DVB - RCS

Systemy satelitarne


Dochody rynku usług satelitarnych

źródło: Clay Mowry, Nihar Shah, Arnold Friedman, Molly Freeland; “Satellite Statistics:An Examination by the Numbers”; Satellite 2006/


Pojemność satelitów wyniesionych w 2005 r.



Prognoza zapotrzebowania na pojemność łączy



Prognoza zapotrzebowania na usługi



Zakresy częstotliwości stosowane w systemach satelitarnych

Pasmo Częstotliwość [GHz]

L 1,5-2,7

S 2,7-3,5

C (łącze w dół) 3,7-4,2

C (łącze w górę) 5,9-6,4

X (łącze w dół) 7,2-7,7

X (łącze w górę) 7,9-8,3

Ku (łącze w dół) 10,7-12,75

Ku (łącze w górę) 12,75-14,517,3-18,1

Ka (łącze w dół) 18,1-21,2

Ka (łącze w górę) 27-31

Q-V 36-51

Pasmo C anteny o średnicach 2 - 3 m Pasmo Ku anteny o średnicach ok. 1 m Pasmo Ka anteny o średnicach ok. 0.5 m Czym większa częstotliwość tym większe tłumienie trasy


Kanał radiowy

Właściwości kanału radiowego: tłumienie sygnału opóźnienia zaniki efekt Dopplera zakłócenia

Zasoby widmowe są dzielone pomiędzy wielu użytkowników

Przykład: podział zakresu 300MHz – 3000MHz


Transmisja fal elektromagnetycznych przez atmosferę

Usługi szerokopasmowe dla odbiorców wymagają zapewnienia szerokiego pasma transmisji.

Szersze pasmo osiągnąć można jedynie zwiększając częstotliwość pracy systemu.

Ograniczeniem są jednak zmienne warunki propagacji fali elektromagnetycznej na wyższych częstotliwościach.

źródło: Marek Bromirski; Satelitarne systemy łączności


Transmisja fal elektromagnetycznych przez atmosferę

źródło: Marek Bromirski; Satelitarne systemy łączności

Duży wpływ pogody w miejscu odbioru na tłumienie trasy

Zwiększenie częstotliwości pracy zmniejsza pewność transmisji

Rozwiązaniem jest zastosowanie algorytmów adaptacyjnych DVB-S2

W przypadku silnych opadów atmosferycznych konieczna jest zmiana częstotliwości pracy systemu.

dB/km


Przepustowość kanału transmisyjnego

Maksymalna przepływność binarną transmisji (szybkość transmisji wyrażoną w [bit/s]), przy której można uzyskać bezbłędny odbiór.

1log2 N

SBC

C – przepustowość kanału [bit/s]

B – pasmo [Hz]

S,N – średnie moce sygnału i szumu (w pasmie B)

Claude Shannon

tak wyznaczona wartość C - odpowiada maksymalnej (teoretycznej, nieosiągalnej w praktyce) szybkości transmisji w kanale(Shannon założył m.in. zastosowanie kodowania optymalnego oraz to, że jedynym czynnikiem degradacji odbieranego sygnału jest szum biały).


Przepustowość kanału transmisyjnego

1log2 N

SBC

C – przepustowość kanału [bit/s]

B – pasmo [Hz]

S,N – średnie moce sygnału i szumu (w pasmie B)

Efektywna szybkość transmisji w rzeczywistym kanalezależy nie tylko od S/N ale również od: sposobu kodowania

i modulacji właściwości kanału

radiowego


Nowy system emisji DVB-S2

DVB-S2 (Digital Video Broadcasting - Satellite - Second Generation) jest drugą generacją standardu transmisji satelitarnej

W zależności od sposobu modulacji optymalnie działa on przy współczynniku C/N (carrier-to-noise) w granicach od –2.4 dB (modulacja QPSK 1/4) do 16 dB (używając modulacji 32APSK 9/10).

Zastosowanie systemu DVB-S2 przy

transmisji z kanałem zwrotnym,

umożliwia zmianę parametrów

w zależności od warunków propagacji. Tryby wstecznej kompatybilności ze

standardem DVB-S Platforma cyfrowa grupy ITI „n”

DVB-S2 / MPEG-4/AVC.


Wydajności Widmowa Systemu DVB-S2

źródło: Alberto Morello, Vittoria Mignone; DVB-S2— ready for lift off; RAI, Radiotelevisione Italiana; EBU TECHNICAL REVIEW – October 2004


Standardy cyfrowej transmisji rozsiewczej (broadcast)DVB-S / DVB-S2 DVB-C DVB-T

Telewizja cyfrowa - DVB

MPEG-2

MPEG-4


Telewizja wysokiej rozdzielczości HDTV

• Rozdzielczość 720 x 576 (405 000 pikseli)

• Tryb 4:3 (PAL) lub 16:9 (PALPlus)

• Wybieranie z przeplotem 50 półobrazów/sek

• Dźwięk analogowy lub cyfrowy

• Większe rozdzielczości niż w SD (dwa tryby 1080i oraz 720p)

• Ponad 2 000 000 pikseli (1080i)

• Tryb 16:9

• Dźwięk cyfrowy wielokanałowy Dolby Digital AC3


• Obraz HD – 5 razy więcej pikseli niż SD

• Dwa standardy DVD dla HD• HD DVD (720p, 1080i)• Blue Ray (720p, 1080i, 1080p)

• Cechy trybów HDTV• 720p – lepsze odtwarzanie scen dynamicznych (sport)• Tryb 1080i – więcej detali dla obrazów nieruchomych

Telewizja wysokiej rozdzielczości HDTV


Prognoza struktury satelitarnych programów TV



Prognoza struktury satelitarnych programów TV

Na podstawie: Clay Mowry, Nihar Shah, Arnold Friedman, Molly Freeland; “Satellite Statistics:An Examination by the Numbers”; Satellite 2006/


Trójwymiarowa telewizja w 2020 roku?

Koleją rewolucją techniczną umożliwiającą operatorom pozyskanie nowych klientów może być telewizja 3D.

Telewizja satelitarna z uwagi na dużą pojemność będzie mogła jako pierwsza wprowadzić przekazy 3D

Magnesem będzie sport.

23 listopada 2006 r w ramach Kongresu Technologicznego zapowiadany był publiczny pokaz możliwości projekcji 3D.


Rozwój standardów MPEG-2/MPEG-4

Strumień video w 2006 r. zgodnie DVB Projekt

W 2015 r. przewidywane jest wprowadzenie nowego standardu kodowania strumienia video

Zaletą kodowania MPEG-4/AVC jest bardzo dobra skalowalność w dużym zakresie przepływności

Obecnie większości transmisji TV SAT MPEG-2 odbywa się z przepływnościami w okolicach 2-2,5 Mbit/s (kod. statystyczne) . Dużą role odgrywają tu czynniki ekonomiczne i cena wynajmu transpondera. Klienci nie przywiązują jeszcze dużej roli do jakości. Popularyzacja telewizorów HDTV zmieni tą sytuację

----

----

< 1Mbit/s

< 4Mbit/s

MPEG -2 SD 4,4 Mbit/s

MPEG – 2 HD 1080i 18 Mbit/s

MPEG – 4 SD 2,2 Mbit/s

MPEG – 4 HD 1080i 9 Mbit/s

2006 2015


Rozwój standardów MPEG-2/MPEG-4


Kodowanie obiektowe

Kolejne metody kodowania treści wizyjnych będą analizowały obraz i wyodrębniały poszczególne obiekty. Poszczególne części obiektów będą reprezentowane przez wektory krawędzi i tekstury.

Obraz wynikowy będzie tworzony podobnie jak obecnie grafika 3D Zniknie pojęcie rozdzielczości, jedynym kryterium będzie ilość szczegółów w scenie. Strumień danych do odbiorcy będzie dynamicznie zmieniany w zależności od możliwości

sprzętu i dostępnego pasma transmisji. Rewolucja w sposobie wyszukiwania treści. Będą możliwe zapytania typu:

Wyszukaj wszystkie ujęcia ze Zbigniewem Bońkiem w meczu … Możliwość dynamicznej i indywidualnej zmiany widoku kamery. Łatwa integracja z telewizją 3D

źródło: http://www.benchmark.pl


Porównanie pojemności systemów DVB-S i DVB-S2

Obecnie w jednym transponderze (MPEG-2 i DVB-S) mamy możliwość transmisji 7 programów przy jakości SDTV.

Po zastosowaniu kodowania MPEG-4/AVC oraz systemu DVB-S2 liczba możliwych do nadawania programów wzrośnie do 26, przekłada się to na prawie 4 krotne zmniejszenie kosztów nadawania.

Mamy również możliwość nadawania 6 programów HDTV (DVB-S2 i MPEG-4/AVC), koszt przyszłej transmisji programu HDTV jest porównywalny do obecnego SDTV

Na podstawie: Alberto Morello, Vittoria Mignone; DVB-S2— ready for lift off; RAI, Radiotelevisione Italiana; EBU TECHNICAL REVIEW – October 2004


RADIO SATELITARNE

Cyfrowe Radio Satelitarne odniosło wielki sukces w Stanach Zjednoczonych i rozwija się obecnie bardziej dynamicznie niż Internet.

Sygnał radiowy XM radia nadawany jest z satelitów rozmieszczonych na orbitach geostacjonarnych. Transmisja odbywa się w paśmie S w kanale 2332,50 MHz - 2345,00 MHz.

Drugą siecią radia satelitarnego działającą w USA jest Sirius. Satelity tego systemu poruszają się po orbitach eliptycznych HEO. Pracują one również pracują w paśmie S w zakresie częstotliwości 2320,00 MHz - 2332,50 MHz.

źródło: http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Xm_sirius_subscribers.png źródło: EMPSA-MobileTVConference-Sept28-29LorientFrance-Complete.pdf


Zasoby widmowe rozważane dla emisji w Europie

ZAKRES CZĘSTOTLIWOŚCI ROZWAŻANE PRZEZNACZENIE

1479 – 1492 MHzITU przeznaczył dla BSS (radiodyfuzja satelitarna)

CEPT ECC przeznaczył dla S-DAB

1467 – 1479 MHzITU przeznaczył dla BSS

CEPT przeznaczył dla T-DAB (Maastricht)Narodowe plany przydziału T-DMB i DVB-H

2170 – 2200 MHzITU przydzielił na MSS (satelitarne usługi ruchome)

CEPT przeznaczył dla MSS / S-UMTSNowy przydział CEPT ECC spodziewany w 2007 r.

1500 MHzITU przeznaczył dla MSS

CEPT przeznaczył dla MSS

Największe szanse w Europie ma emisja w paśmie 2170 – 2200 MHz przeznaczonym dla prac systemu S-UMTS, trwa jednak nadal dyskusja na temat możliwych do wykorzystania zasobów

SES Global i Eutelsat Communications zainwestują w pierwszą, europejską infrastrukturę do radia cyfrowego. Satelita Eutelsat W2A 10E będzie pracował w paśmie S i zostanie wyniesiony na początku 2009 roku.


Profile dla mocy od 100 mW do 2W

Konfiguracja: komórkowa P-P i P-MP

Pasma pracy: licencjonowane 3.5 GHz nielicencjonowane 5.8 GHz

Interfejs radiowy OFDM, 256 nośnych

Przepływności: ok. 35-70 Mbit/s

Zasięgi:

30 - 40 km dla transmisji zewnątrzbudynkowej 10 km dla transmisji wewnątrzbudynkowej 3.5 GHz

WiMAX Forum – organizacja dostarczycieli rozwiązań i użytkowników

Konkurencja sieci naziemne WiMAX


4

Sieć rdzeniowa

Przenośne łacze radiowe P-Ppołączone ze stacją bazową

WiMAX

WiMAX – Zastosowania

Stacja bazowaWiMAX

Pokrycie sieci WiMAX

Hot Spoty Wi-Fi

Stacja bazowaWiMAXWiMAX

(zasięg transmisjiwewnątrzbudynkowe

j)

Dedykowany zasięg WiMAX Zasięg WiFi – zwiększenie pokrycia

WiMAX(zasięg transmisji

zewnątrzbudynkowej)


• Interaktywne systemy pracujące w oparciuo maszyny latające •Statki powietrzne, balony, sterowce

• Multimedialne transpondery satelitarne

• Przetwarzanie sygnałów na pokładzie (elastyczność)

•Regeneracja sygnału (modulacja, kodowanie)

•Przełączanie pakietów

•Routing

•Przełączanie wiązek

Systemy stratosferyczne HAPS


Obszarpokrycia

HAPS

Dostawca usług

47 GHz

Internet

Systemy stratosferyczne HAPS


Systemy HAPS

Przydział pasma – 600 MHz na częstotliwościach 47 GHz.

Stacja umieszczona na platformie 20 km nad ziemią.

W porównaniu z siecią naziemną prosta, tańsza infrastruktura, szybsza realizacja, lepsze warunki propagacyjne, większa pojemność.

W porównaniu z systemami satelitarnymi

większa pojemność, lepsze parametry łącza (tłumienie,

opóźnienie), niższy koszt realizacji, szybka realizacja, możliwość realizacji.

źródło: NASA


Systemy satelitarne przewidywane kierunki rozwoju

radiodyfuzja programy telewizyjne (standard DVB-S2, HDTV) i radio satelitarne Usługi dodatkowe - telemarketing

systemy transmisji danych szybki internet, przewidywany dalszy rozwój transmisji jednokierunkowej

z satelitów geostacjonarnych interaktywne szerokopasmowe z kanałem zwrotnym przez satelitę LEO sieci VSAT przewidywane zastosowanie w Polsce tylko w specjalnych

zastosowaniach (łącza zapasowe), wyparte zostaną przez sieć naziemną typu WiMAX

systemy łączności ruchomej systemy satelitarnej telefonii komórkowej na obszarach bez

infrastruktury stałej systemy łączności z obiektami ruchomymi: samolotami, samochodami systemy łączące pokładowe sieci bezprzewodowe WLAN z siecią

szkieletową realizowaną przez satelitę

Documents

PRZYSZŁOŚĆ TECHNIK SATELITARNYCH