PRZYSZŁOŚĆ TECHNIK SATELITARNYCH

1. PRZYSZŁOŚĆ TECHNIK SATELITARNYCH Przegląd perspektyw rozwoju technik satelitarnych i technologii kosmicznych w dwóch horyzontach czasowych: roku 2012 i 2020 Prof. dr hab. inż. Józef Modelski Instytut Radioelektroniki Wydział Elektroniki i Technik Informacyjnych PW

2. 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

3. Rodzaje orbit satelitarnych Niskoorbitalne 700 - 1500 km (LEO -Low Earth Orbit ) Średnioorbitalne10000 – 15000 km (Medium Earth Orbit - MEO) Geostacjonarne 35 810 km (Geosynchronous Earth Orbit - GEO) źródło: http://http://www.zsi.pwr.wroc.pl/missi2000/ EliptyczneEEO, HEO HEO (ang. Highly Eliptical Orbit) Molnya ~12hr Tundra ~24hr źródło: http://en.wikipedia.org/wiki/Molniya_orbit

4. Rodzaje orbit satelitarnych

5. 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

6. Systemy satelitarne Głównie Telewizja... ale także dane oraz głos • Problemy: • duże opóźnienia • duża wrażliwość na warunki atmosferyczne • duże tłumienie propagacyjne Kanał Zwrotny Satelitarne Centrum Usług

7. 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

8. 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)

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

10. Dochody rynku usług satelitarnych źródło: Clay Mowry, Nihar Shah, Arnold Friedman, Molly Freeland; “Satellite Statistics:An Examination by the Numbers”; Satellite 2006/

11. Pojemność satelitów wyniesionych w 2005 r. źródło: Clay Mowry, Nihar Shah, Arnold Friedman, Molly Freeland; “Satellite Statistics:An Examination by the Numbers”; Satellite 2006/

12. Prognoza zapotrzebowania na pojemność łączy źródło: Clay Mowry, Nihar Shah, Arnold Friedman, Molly Freeland; “Satellite Statistics:An Examination by the Numbers”; Satellite 2006/

13. Prognoza zapotrzebowania na usługi źródło: Clay Mowry, Nihar Shah, Arnold Friedman, Molly Freeland; “Satellite Statistics:An Examination by the Numbers”; Satellite 2006/

14. Zakresy częstotliwości stosowane w systemach satelitarnych • 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

15. Kanał radiowy • Właściwości kanału radiowego: • tłumienie sygnału • opóźnienia • zaniki • efekt Dopplera • zakłócenia • Zasoby widmowe są dzielone pomiędzy wielu użytkowników Przykład: podział zakresu 300MHz – 3000MHz

16. 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

17. Transmisja fal elektromagnetycznych przez atmosferę • 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 źródło: Marek Bromirski; Satelitarne systemy łączności

18. Maksymalna przepływność binarną transmisji(szybkość transmisji wyrażoną w [bit/s]), przy której można uzyskaćbezbłędny odbiór. Claude Shannon Przepustowość kanału transmisyjnego C – przepustowość kanału [bit/s] B – pasmo [Hz] S,N– średnie moce sygnału i szumu (w pasmie B) 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).

19. Przepustowość kanału transmisyjnego C – przepustowość kanału [bit/s] B – pasmo [Hz] S,N– średnie moce sygnału i szumu (w pasmie B) • Efektywna szybkość transmisji w rzeczywistym kanale • zależy nie tylko od S/N ale również od: • sposobu kodowania i modulacji • właściwości kanału radiowego

20. 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.

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

22. Telewizja cyfrowa - DVB Standardy cyfrowej transmisjirozsiewczej (broadcast) • DVB-S / DVB-S2 DVB-C DVB-T MPEG-2 MPEG-4

23. 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 Telewizja wysokiej rozdzielczości HDTV • 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

24. 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

25. Prognoza struktury satelitarnych programów TV źródło: Clay Mowry, Nihar Shah, Arnold Friedman, Molly Freeland; “Satellite Statistics:An Examination by the Numbers”; Satellite 2006/

26. Prognoza struktury satelitarnych programów TV Na podstawie: Clay Mowry, Nihar Shah, Arnold Friedman, Molly Freeland; “Satellite Statistics:An Examination by the Numbers”; Satellite 2006/

27. 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.

28. 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 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 2006 2015 ---- ---- < 1Mbit/s < 4Mbit/s

29. Rozwój standardów MPEG-2/MPEG-4

30. 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

31. 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

32. 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

33. Zasoby widmowe rozważane dla emisji w Europie • 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.

34. Konkurencja sieci naziemne WiMAX WiMAX Forum– organizacja dostarczycieli rozwiązań i użytkowników • Profile dla mocy od 100 mWdo 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

35. Stacja bazowa WiMAX Stacja bazowa WiMAX 4 WiMAX(zasięg transmisji wewnątrzbudynkowej) Pokrycie sieci WiMAX WiMAX(zasięg transmisji zewnątrzbudynkowej) Sieć rdzeniowa Przenośne łacze radiowe P-P połączone ze stacją bazową WiMAX Dedykowany zasięg WiMAX Zasięg WiFi – zwiększenie pokrycia Hot Spoty Wi-Fi WiMAX – Zastosowania

36. Systemy stratosferyczne HAPS • Interaktywne systemy pracujące w oparciu • o maszyny latające • Statki powietrzne, balony, sterowce • Multimedialne transpondery satelitarne • Przetwarzanie sygnałów na pokładzie (elastyczność) • Regeneracja sygnału (modulacja, kodowanie) • Przełączanie pakietów • Routing • Przełączanie wiązek

37. Systemy stratosferyczne HAPS HAPS 47 GHz Dostawca usług Obszar pokrycia Internet

38. 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

39. 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