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Mobilkommunikation Kapitel 5: Satellitensysteme

Mobilkommunikation Kapitel 5: Satellitensysteme. Geschichte Grundlagen Lokalisierung. Handover Routing Systeme. 5.0.3. Geschichte der Satellitenkommunikation . 1945 Arthur C. Clarke veröffentlicht Aufsatz über „Extra Terrestrial Relays“ 1957 erster Satellit SPUTNIK

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Mobilkommunikation Kapitel 5: Satellitensysteme

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Presentation Transcript

  1. MobilkommunikationKapitel 5: Satellitensysteme Geschichte Grundlagen Lokalisierung • Handover • Routing • Systeme 5.0.3

  2. Geschichte der Satellitenkommunikation • 1945 Arthur C. Clarke veröffentlicht Aufsatz über „Extra Terrestrial Relays“ • 1957 erster Satellit SPUTNIK • 1960 erster reflektierender Nachrichtensatellit ECHO • 1963 erster geostationärer Satellit SYNCOM • 1965 erster kommerzieller geostationärer Satellit „Early Bird“ (INTELSAT I): 240 Duplex-Telefonkanäle oder 1 Fern- sehkanal, Lebensdauer 1,5 Jahre • 1976 drei MARISAT Satelliten für maritime Kommunikation • 1982 erstes mobiles Satellitentelefonsystem INMARSAT-A • 1988 erstes landmobiles Satellitensystem für Datenkommunikation INMARSAT-C • 1993 erste digitale landmobile Satellitentelefonsysteme • 1998 globale Satellitentelefonsysteme für Handys Mobilkommunikation: Satellitensysteme 5.1.2

  3. Einsatzgebiete für Satelliten • traditionell: • Wettersatelliten • Rundfunk- und Fernsehsatelliten • militärische Dienste • Satelliten zur Navigation und Ortung (GPS) • für Telekommunikation: • weltweite Telefonverbindungen • Backbone für globale Netze • Kommunikationsverbindungen in schwer zugänglichen Gebieten oder unterentwickelten Regionen (Verkabelung nur mit großem Aufwand möglich) • weltweite Mobilkommunikation •  Satellitensysteme als Ergänzung zu zellularen Mobilfunksystemen in Zukunft von Glasfaser abgelöst Mobilkommunikation: Satellitensysteme 5.2.2

  4. Aufbau eines Satellitensystems Intersatelliten-verbindung (ISL) Mobile User Link (MUL) MUL Gateway Link (GWL) GWL kleinere Zellen (Spotbeams) Bodenstation oder Gateway gesamtes Ausleuchtungsgebiet (Footprint) GSM ISDN PSTN Benutzer- daten PSTN: Public Switched Telephone Network Mobilkommunikation: Satellitensysteme 5.9.1

  5. Grundlagen • Satelliten in kreisförmigen Umlaufbahnen • Anziehungskraft Fg = m g (R/r)² • Zentrifugalkraft Fc = m r ² • m: Satellitenmasse • R: Erdradius (R = 6370 km) • r: Entfernung vom Erdmittelpunkt • g: Erdbeschleunigung (g = 9.81 m/s²) • : Winkelgeschwindigkeit ( = 2  f, f: Umlauffrequenz) • Stabile Umlaufbahn • Fg = Fc Mobilkommunikation: Satellitensysteme 5.21.1

  6. Zusammenhang von Umlaufdauer und -bahn 24 Umlauf- dauer [h] 20 16 12 8 4 Synchrondistanz 35.786 km 10 20 30 40 x106 m Radius Mobilkommunikation: Satellitensysteme 5.22.2

  7. Grundlagen • Umlaufbahnen (= Orbits) elliptisch oder kreisförmig • bei kreisförmigen Orbits Umlaufdauer von Höhe über Erdoberfläche abhängig • Inklination: Neigung des Orbits gegenüber dem Äquator • Elevation: Erhebungswinkel des Satelliten über den Horizont • Sichtverbindung (LOS = Line of Sight) zum Satelliten für Funkverbindung notwendig  höhere Elevation besser, da weniger Abschattung durch Hindernisse • Uplink: Verbindung Bodenstation - Satellit • Downlink: Verbindung Satellit - Bodenstation • meist getrennte Frequenzbereiche für Up- und Downlink • Transponder zum Umsetzen der Signale auf andere Frequenz • transparente Transponder: nur Frequenzumsetzung • regenerative Transponder: zusätzlich Signalaufbereitung Mobilkommunikation: Satellitensysteme 5.3.2

  8. Inklination Ebene der Satellitenbahn Satellitenbahn erdnächster Punkt d Inklination d Äquatorialebene Mobilkommunikation: Satellitensysteme 5.19.1

  9. Elevation Elevation: Einfallswinkel für die Mitte der Strahlungskeule (bezogen auf die Erdoberfläche) minimale Elevation: kleinste Elevation, bevor ein neuer Satellit des Systems sichtbar wird e Ausleuchtungsgebiet „Footprint“ Mobilkommunikation: Satellitensysteme 5.20.2

  10. Übertragungsleistung von Satelliten • Parameter wie Dämpfung oder empfangene Leistung werden von vier Werten bestimmt: • Sendeleistung • Antennengewinn (Sender) • Abstand von Sender und Empfänger • Antennengewinn (Empfänger) • Probleme • schwankende Signalstärke auf Grund der Mehrwegeausbreitung • Signalunterbrechung auf Grund von Abschattungen (keine LOS) • Mögliche Lösungen • Signalschwankungen können durch Leistungsreserven ausgeglichen werden • Satelliten Diversität hilft bei geringerer Sendeleistung (Einsatz mehrerer gleichzeitig sichtbarer Satelliten) L: Loss f: carrier frequency r: distance c: speed of light Mobilkommunikation: Satellitensysteme 5.23.1

  11. Atmosphärische Dämpfung Abschwächung des Signals in % Beispiel: Satellitensystem mit 4-6GHz 50 40 Absorption durch Regen 30 Absorption durch Nebel e 20 10 Atmosphärische Absorption 5° 10° 20° 30° 40° 50° Elevation des Satelliten Mobilkommunikation: Satellitensysteme 5.16.1

  12. Orbits I • Satellitenorbits werden nach Art und Höhe des Orbits in vier Klassen eingeteilt: • GEO: geostationärer Orbit in etwa 36000 km Höhe • LEO (Low Earth Orbit) in 700 - 2000 km Höhe • MEO (Medium Earth Orbit) oder ICO (Intermediate Circular Orbit) in 6000 - 20000 km Höhe • HEO (Highly Elliptical Orbit) elliptische Orbits Mobilkommunikation: Satellitensysteme 5.4.3

  13. Orbits II GEO (Inmarsat) HEO MEO (ICO) LEO (Globalstar,Irdium) innerer und äußererVan-Allen-Gürtel earth 1000 10000 Van-Allen-Gürtel: ionisierte Teilchen in 2000 - 6000 km Höhe (kein Satelliten- Betrieb möglich) 35768 km Mobilkommunikation: Satellitensysteme 5.24.1

  14. Geostationäre Satelliten • Orbit in 35.786 km Entfernung von der Erdoberfläche in der Äquatorebene (Inklination 0°) •  Umlaufzeit beträgt 1 Tag, Satellit bewegt sich synchron mit Erddrehung • feste Position der Antennen, kein Nachführen nötig • Satellit leuchtet relativ großes Gebiet aus, Frequenzen dadurch schlecht wiederbenutzbar • durch feste Position über Äquator schlechte Elevation in Breitengraden über 60° • hohe Sendeleistungen nötig • durch große Entfernung lange Laufzeit, ca. 275 ms •  ungeeignet für flächendeckende Mobilfunkversorgung, daher • meist Rundfunk- und Fernsehsatelliten Mobilkommunikation: Satellitensysteme 5.5.3

  15. LEO-Systeme • Orbit in 700 - 2000 km Höhe • Sichtbarkeitsdauer eines Satelliten 10 - 40 Minuten • globale Funkversorgung möglich • Laufzeit vergleichbar mit terrestrischen Weitverkehrs-verbindungen, etwa 5 - 10 ms • kleinere Ausleuchtungsgebiete, bessere Frequenznutzung • Gesprächsübergabe (Handover) benötigt • viele Satelliten für globale Funkversorgung nötig • Frequenzänderung wegen Satellitenbewegung (Doppler-Effekt) • Beispiele: • Iridium (Betriebsbeginn Sept. 1998, 66 Satelliten, zwischenzeitlich pleite, inzwischen wieder aktiv: www.iridium.com) • Globalstar (Betriebsbeginn 2000, 48 Satelliten: www.globalstar.com) Mobilkommunikation: Satellitensysteme 5.6.5

  16. MEO-Systeme • Orbit in 6000 - 20000 km Höhe • Vergleich mit LEO-Systemen: • Geschwindigkeit des Satelliten langsamer • weniger Satelliten benötigt • weniger starker Doppler-Effekt • Verbindungen meist ohne Handover möglich • längere Laufzeiten, etwa 70 - 80 ms • höhere Sendeleistung nötig • stärker bündelnde (= größere) Antennen für kleine Ausleuch-tungsgebiete nötig • Beispiele: • ICO (Intermediate Circular Orbit, Inmarsat), Start 2000, www.inmarsat.com Mobilkommunikation: Satellitensysteme 5.7.4

  17. Routing • Möglichkeit: Intersatellitenlinks (ISL) • reduziert Anzahl erforderlicher Gateways • Gespräche werden so weit wie möglich über Satelliten geführt (weniger Gebühren für terrestrische Netze) • bei Verbindung zweier Mobilstationen nur ein Uplink und ein Downlink nötig • Probleme: • präzise Ausrichtung der Antennen komplex • kompliziertes Regelungssystem wegen Eigenbewegung der Satelliten nötig • höherer Treibstoffverbrauch • kürzere Lebensdauer • Iridium und Teledesic mit ISL geplant • Andere Systeme benutzen Gateways und terrestrische Netze Mobilkommunikation: Satellitensysteme 5.12.1

  18. Übersicht über geplante/existierende Systeme Mobilkommunikation: Satellitensysteme 5.15.4

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