SYSTEMY SATELITARNE TRANSMISJI DANYCH
Pomysł telekomunikacji satelitarnej liczy już sobie prawie pół wieku. W 1959 roku International Telecommunications Union przyznała pierwsze częstotliwości dla transmisji satelitarnej. Rok później na orbicie umieszczono pierwszego satelitę o zastosowaniu telekomunikacyjnym - Echo 1 - tylko odbijającego sygnały radiowe. Od tego czasu powstało wiele pomysłów systemów satelitarnych, wiele projektów zrealizowano, powstały też nowe standardy, a transmisji satelitarnej przydzielano nowe częstotliwości.
Co wyróżnia systemy satelitarne od innych systemów transmisji danych? Przede wszystkim osoba chcąca się połączyć z siecią nie jest do niej podłączona żadnymi kablami i nie jest tutaj istotna odległość od najbliższej infrastruktury sieciowej. Dane wysyłane są bezpośrednio do satelity kanałem radiowym, a stamtąd wędrują do punktu docelowego przez inne satelity lub przez sieć naziemną. W większości sieci terminal abonenta może być też przenośny.
Budowa systemu satelitarnego
Generalnie, w każdym systemie satelitarnym można wyróżnić trzy elementy składowe:
· moduł naziemny
· moduł kosmiczny
· kanał radiowy.
Moduł naziemny
Moduł naziemny stanowią terminale abonenckie - ruchome lub stacjonarne, szkieletowa sieć naziemna ze stacjami bazowymi, adaptery sieciowe i stacje kontrolne. Terminale abonenckie są zaopatrzone w antenę do nadawania i odbierania danych z satelity oraz urządzenia do przetwarzania sygnałów radiowych wysokiej częstotliwości na sygnały mowy, ramki określonego protokołu, itp. W satelitarnych systemach komunikacji osobistej S-PCN (Satellite Personal Communication Network) - zakładających możliwość przemieszczania się abonenta z terminalem dąży się do minimalizacji terminali abonenckich, a więc jak najwięcej koniecznego przetwarzania sygnału przerzuca się na inne elementy sieci. W systemach z terminalami stacjonarnymi również istnieje tendencja do zmniejszania rozmiarów terminali, lecz nie jest to w tym przypadku aż tak istotne. Terminalem abonenckim może być również telefon przenośny z możliwością łączenia się z innymi sieciami, nie tylko telefonicznymi, np. GSM czy Internet. Takim terminalem może być też stacjonarny moduł dołączony do komputera, dla abonenta będący po prostu sieciowym łączem na świat. Na ten terminal mogą być wysyłane inne typy danych związane z innymi usługami multimedialnymi - przykładowo transmisja filmu video, telekonferencja, faksy i inne. Generalnie nie ma żadnego ograniczenia, które powodowałoby, że usługi dostępne w sieciach stacjonarnych nie są dostępne przez sieci satelitarne.
Terminale abonenckie - chcąc przesłać dane - wysyłają je do najbliższego, w danej chwili dostępnego satelity. Ten przesyła dane dalej przez następne satelity, a często od razu do najbliższej lub po prostu odpowiadającej mu naziemnej stacji bazowej. Jeżeli przeznaczeniem tej wiadomości jest miejsce na Ziemi - w jednej z naziemnych sieci telekomunikacyjnych (np. abonencka sieć telefoniczna lub Internet) - stacja bazowa przesyła tą wiadomość dalej przez naziemną sieć szkieletową do punktu będącego połączeniem z tą naziemną siecią telekomunikacyjną. Punkt taki zwany jest adapterem sieciowym (gateway). Od tego punktu wiadomość przesyłana jest już według zasad obowiązujących w owej sieci naziemnej. Jeżeli jednak wiadomość ma być przesłana do innego posiadacza terminala abonenckiego sieci satelitarnej, wędruje ona przez naziemną sieć szkieletową do stacji bazowej najbliższej satelity, który z kolei będzie w stanie przetransmitować ją do owego terminala abonenckiego. W tym przypadku wiadomość musi 4 razy przebyć drogę Ziemia - satelita, w porównaniu z dwukrotną taką drogą dla poprzedniego przypadku.
W niektórych systemach (zwłaszcza systemy S-PCN) możliwe jest połączenie między dwoma terminalami abonenckimi sieci satelitarnej poprzez kanały transmisyjne między satelitami. Pozwala to na zredukowanie ilości transmisji Ziemia-satelita z czterech do dwóch. Fakt ten jest bardzo istotny ze względu na duże opóźnienia w transmisji wynikające z dużych odległości między Ziemią a satelitami.
Stacje kontrolne czuwają nad działaniem całego systemu, m.in. wykonują pomiary położenia satelitów na orbitach i wysyłają im informacje o koniecznych do wykonania manewrach.
Moduł kosmiczny, orbity
Na ten człon systemu składa się określona liczba satelitów umieszczonych na orbitach okołoziemskich. Satelity te do poprawnego działania potrzebują oczywiście energii, co zwykle rozwiązywane jest poprzez posiadane przez nie baterie słoneczne i paliwo dla silników rakietowych. W większości systemów wszystkie satelity krążą po orbitach tego samego typu - ta sama odległość od Ziemi i kąt nachylenia orbity - lecz nie jest to regułą: projekt Motoroli - Celestri był systemem hybrydowym, łączącym satelity różnych typów.
Satelity można klasyfikować właśnie ze względu na typy orbit. Wyróżnia się orbity:
LEO (Low Earth Orbit) - orbity o wysokości od 500 do 2000 km nad powierzchnią Ziemi. Poniżej 500 km atmosfera jest zbyt gęsta i występowałyby zbyt duże tarcia w ruchu satelity, natomiast powyżej 2000 km zaczyna się pierwsza ze stref (pasów) Van Allena - obszarów występowania cząstek (protonów i elektronów) o bardzo dużych energiach, mogących spowodować uszkodzenie elektronicznych elementów satelity przebywającego w niej przez dłuższy czas. Mała wysokość lotu satelity oznacza jego dużą prędkość (siła odśrodkowa musi zrównoważyć siłę grawitacji), tak więc satelita przez krótki okres czasu pozostaje w zasięgu stacji naziemnej - czy to bazowej czy abonenckiej - około 10-30 minut. W przypadku transmisji danych czasu rzeczywistego (transmisja rozmowy telefonicznej lub filmu video) kluczowym staje się problem przełączeń dróg transmisji. Jednocześnie duża prędkość satelity rodzi problem proporcjonalnie dużych dopplerowskich zmian częstotliwości. Pojedynczy satelita krążący na tej wysokości ma w swoim zasięgu obszar na powierzchni Ziemi o promieniu nie większym niż 4000 km. Stworzenie systemu globalnego wymaga umieszczenia na orbicie wielu satelitów - np. kilkudziesięciu, krążących po różnych orbitach. Orbity LEO mogą być kołowe lub eliptyczne, jednak najczęściej stosowane są te pierwsze. Mogą mieć też różne odchylenie od powierzchni równika - inklinację - od 0 do 90 stopni.
MEO (Medium Earth Orbit) - wysokość nad powierzchnią Ziemi od 8 do 12 tys. km. Ograniczenia zarówno od góry jak i od dołu wynikają z istnienia pierwszej i drugiej strefy Van Allena. Pojedynczy satelita pozostaje nad horyzontem danego punktu kuli ziemskiej przez parę godzin. Budowa systemu globalnego wymaga od 10 do 20 satelitów krążących po kilku różnych orbitach. Czasy transmisji Ziemia - satelita odpowiednio większe w porównaniu z orbitami LEO. Podobnie jak w ich przypadku, MEO mogą być kołowe i eliptyczne, inklinacja od 0 do 90 stopni. Satelity MEO i LEO często określane są jednym mianem: LEO.
HEO (Highly Eliptical Orbit) - orbity silnie eliptyczne: perygeum - od ok. 500 km, apogeum - do ok. 50 tys. km. Dzięki takim parametrom orbity satelita jest widoczny z danego obszaru na kuli ziemskiej jako prawie nieruchomy przez pewien okres czasu. Pozwala to na tworzenie systemów o podobnych cechach jak systemy oparte na satelitach geostacjonarnych, ale są to systemy regionalne. Jednocześnie satelita jest widoczny z Ziemi pod dużym kątem elewacji (kątem między kierunkiem z danego punktu powierzchni Ziemi na satelitę a powierzchnią Ziemi), co sprawia, że systemy takie dobrze się sprawdzają również w terenach górskich lub silnie zurbanizowanych. Dla stworzenia systemu regionalnego bazującego na orbitach HEO wystarcza od 2 do 10 satelitów. Obecnie, właściwie nie planuje się systemów HEO.
GEO (GEOstationary orbit) - orbity o wysokości 35 786 km w płaszczyźnie równikowej. Satelita krążący po takiej orbicie ma tą samą prędkość kątową co obracająca się Ziemia, dzięki czemu z jej powierzchni widziany jest cały czas w jednym miejscu. Do stworzenia systemu globalnego - nie obejmującego jednak swym zasięgiem obszarów podbiegunowych - wystarczają trzy satelity. Z drugiej strony duża odległość od powierzchni Ziemi oznacza duże opóźnienia w transmisji i konieczność stosowania dużych mocy sygnałów. Orbita ta jest jednak bardzo popularna i jednocześnie coraz bardziej eksploatowana - korzystają z niej m.in. systemy VSAT, Inmarsat i satelity transmitujące kanały telewizyjne.
Porównanie orbit różnych typów
Utrzymanie satelitów na wyznaczonych dla nich orbitach nie jest proste. Często to stacje bazowe pełnią jednocześnie rolę stacji kontrolnych. Wśród informacji sygnalizacyjnych wymienianych z każdym satelitą są dane dotyczące toru jego lotu. Na ich podstawie dokonywane są decyzje o ewentualnej korekcji trasy satelity, co jest możliwe, jako że każdy satelita posiada silnik i zapas paliwa.
Czas życia różnych satelitów ocenia się zwykle na kilka do kilkunastu, maksymalnie 20 lat. Ich naprawy nie bierze się pod uwagę. Właśnie paliwo jest jednym z głównych czynników decydujących o czasie życia satelity.
Wysokość orbity ma kluczowe znaczenie dla opóźnienia wiadomości przechodzącej przez system satelitarny. Opóźnienie to największe jest dla orbit geostacjonarnych i silnie eliptycznych. Przykładowo, transmisja sygnału z satelity geostacjonarnego do punktu na Ziemi leżącego dokładnie pod satelitą na równiku, a więc najbliżej satelity na powierzchni Ziemi, trwa: 35786 km / 300000 km/s = 120 ms.
Przy tak wysokiej orbicie zmiana punktu docelowego na powierzchni Ziemi nie wpływa już znacząco na rozmiar opóźnienia. Np. odległość między Krakowem - φ=50°N, λ=20°E - a satelitą geostacjonarnym umieszczonym nad południkiem 0°, a więc „zawieszonym” nad punktem φ=0°, λ=0° to 38644 km, a więc czas transmisji to 129 ms.
Odległość satelita - Ziemia jest jednak zawsze pokonywana przez sygnał dwukrotnie, a w przypadku połączenia dwóch terminali abonenckich systemu satelitarnego poprzez naziemną sieć szkieletową - czterokrotnie. W tym przypadku opóźnienie sygnału rośnie do ok. 0.5 s, do czego należy jeszcze doliczyć czas przetwarzania sygnału w różnych punktach trasy oraz opóźnienie jego przejścia przez sieć naziemną. Z jeszcze większymi czasami transmisji należy się liczyć w systemach z satelitami na orbitach HEO. Przy apogeum orbity do 50000 km, pojedynczy czas przesłania wiadomości satelita - Ziemia to okres nawet do 170 ms.
Problem opóźnień jest nieco mniejszy w przypadku satelitów krążących po niższych orbitach. Rozważmy system z orbitami na wysokości 1200 km. Gdy satelita znajduje się dokładnie nad stacją na Ziemi, z którą prowadzi transmisję, opóźnienie wynosi 4 ms. W przypadku gdy satelita jest widoczny np. 20° nad horyzontem, odległość do niego wynosi 2455 km, a więc opóźnienie to ok. 8 ms. Tak więc w systemach z satelitami krążącymi po niskich orbitach opóźnienia są wyraźnie mniejsze, ale ich zmiany względne są większe.
Dla satelity krążącego po orbicie kołowej o danej wysokości można w prosty sposób obliczyć jego prędkość. Na satelitę działają dwie siły: przyciąganie ziemskie i siła odśrodkowa. Aby satelita krążył po orbicie kołowej, siły te muszą być sobie równe:
G·M·m/r2 = m·v2/r
G - stała grawitacji,
M - masa Ziemi,
m - masa satelity,
r - odległość satelity od środka Ziemi (suma promienia Ziemi i wysokości orbity),
v - prędkość satelity.
Po przekształceniu tej zależności można otrzymać:
v = (G·M/r)½
Znając prędkość satelity można również obliczyć okres obiegu orbity:
T = 2·π·r/v
Kanał radiowy
Kanał radiowy przewidziany do transmisji Ziemia - satelita nosi nazwę „uplink”, zaś kanał do transmisji satelita - Ziemia to „downlink”. W miarę rozwoju telekomunikacji satelitarnej wzrastały potrzeby na pasmo częstotliwości przydzielone tym kanałom. W związku z tym, na kolejnych światowych konferencjach radiowych WRC (World Radiocommunication Conference) przyznawane były coraz to nowe częstotliwości. Przyjęto następujący podział:
· pasmo L - 1-2 GHz
· pasmo S - 2-4 GHz
· pasmo C - 4-8 GHz
· pasmo X - 8-12 GHz → przeznaczone głównie dla organizacji rządowych i wojska
· pasmo Ku - 12-18 GHz
· pasmo K - 18-27 GHz
· pasmo Ka - 27-40 GHz → pasma K i Ka czasem określa się jedną nazwą Ka
· pasmo V - powyżej 40 GHz
Nie oznacza to, że cały zakres 1-40 GHz przewidziano dla łączności satelitarnej. W ramach każdego pasma tylko wybrane zakresy częstotliwości przeznaczono dla transmisji przez satelity - np. w paśmie L są to m.in. 1.215-1.240 GHz (GPS), 1.530-1.559 GHz i 1.6265-1.6605 GHz. W większości przypadków, zakresy częstotliwości przeznaczone na uplink i downlink mają taką samą szerokość. Wyjątkiem są systemy nawigacyjne, tam kanał "uplink" potrzebny jest jedynie do przesyłania informacji sterujących i nie musi mieć dużej przepustowości.
Architektura
Istnieją dwa typy architektur systemów satelitarnych i oczywiście wersje pośrednie. W pierwszym przypadku satelity są tylko siecią dostępową. Sygnał z terminala abonenckiego jest transmitowany do satelity i zaraz z powrotem na Ziemię - do stacji bazowej. Dalej jest odpowiednio przetwarzany i przesyłany już w szkieletowej sieci naziemnej. W takim układzie satelita tylko retransmituje sygnał na Ziemię, nie przekształca go, jako że nie zna jego typu, nie jest też w stanie wzmocnić sygnału. W tym sygnale nie mogą być też przesyłane żadne informacje sterujące, potrzebny jest do tego osobny kanał od stacji bazowej do satelity. Większy ciężar położony jest na segment naziemny sieci. Większe też muszą być anteny terminali i stacji bazowych i moce sygnałów, jako że muszą uwzględnić wpływ szumów na drodze Ziemia - satelita i satelita - Ziemia.
Taka architektura jest bardzo popularna i chętnie stosowana z dwóch powodów:
1. konstrukcja satelitów jest uproszczona, pozbawione są one elementów wzmacniających, przetwarzających i komutujących wiadomości. Prosta konstrukcja oznacza większą niezawodność,
2. transmisja sygnału przez satelitę jest przeźroczysta. Satelita nie zna typów przesyłanych wiadomości, nie ingeruje w nie. Oznacza to, że można przesyłać wiadomości dowolnego typu, nie ma konieczności zgodności protokołów transmisyjnych.
W drugim przypadku satelity stanowią zarówno sieć dostępową jak i szkieletową. Może również występować naziemna sieć szkieletowa (albo przynajmniej jej część) uzupełniająca działanie jej satelitarnego odpowiednika. Generalnie przetwarzanie i komutacja wiadomości następuje już w satelitach. Do przesyłania wiadomości bezpośrednio między nimi służą łącza międzysatelitarne ISL (Inter Satellite Links).
Pomysł architektury tego typu wynika z dążenia do maksymalnego uproszczenia i zmniejszenia rozmiarów terminali abonenckich. W tym przypadku konieczne wielkości anten i moce transmitowanych sygnałów będą mniejsze. Jest to sprawa kluczowa przy projektowaniu sieci osobistych - S-PCN. Jednocześnie dzięki przesyłaniu wiadomości bezpośrednio między satelitami zmniejszają się opóźnienia w transmisji.
Taka konstrukcja systemów satelitarnych stała się możliwa dopiero niedawno, wraz z postępem techniki. Konieczne jest bowiem wyniesienie na orbitę satelitów zbudowanych w sposób dużo bardziej skomplikowany i zapewnienie im odpowiedniej niezawodności działania.
Architektura sieci satelitarnej: jako sieć dostępowa (a) i sieć szkieletowo-dostępowa (b)
Niezaprzeczalną zaletą łączności satelitarnej jest jej dostępność. Instalacja terminala abonenckiego pociąga za sobą pewne, czasem spore koszty, jednak jest dużo prostsza i szybsza niż kładzenie kabli, zwłaszcza na terenach o małej gęstości zaludnienia. Podobną przewagę mają systemy osobiste (S-PCN) - rozmowę telefoniczną w systemie o zasięgu globalnym można prowadzić z dowolnego zakątka świata, nie przejmując się jakimkolwiek łączem z siecią kablową.
Jednocześnie w ostatnich projektach sieci satelitarnych planowano naprawdę duże przepustowości łączy. Przewidywano transmisję szerokopasmową, czyli przepustowości 2 Mbit/s i większe. Mówiono o kanałach 20 Mbit/s i jego krotnościach (Skybridge), a także o 155 Mbit/s (pierwotny projekt Celestri). Pojemności największych sieci szacowano na miliony i dziesiątki milionów użytkowników.
Niestety, praktycznie wszystkie projekty sieci telefoniczne czy transmisji danych oparte na satelitach LEO lub MEO zostały zawieszone lub zakończyły się porażką. Słychać było raczej o spektakularnych klapach wielkich konsorcjów satelitarnych niż o ich szybkim rozwoju. Bankrucja dotknęła Iridium, Globalstar, ICO i Odyssey. Projekt Skybridge został wstrzymany. Teledesic ogłaszał kolejne redukcje liczby satelitów, w końcu z niego zrezygnowano. Dobrze funkcjonują systemy VSAT, jednak proponowane w tych sieciach usługi są dość ograniczone.
Z pewnością decydujący jest tutaj czynnik finansowy. Uruchomienie globalnej sieci satelitarnej to koszt od kilku do kilkunastu mld $. Pieniądze te muszą się później zwrócić, co oznacza wysokie ceny usług oferowanych użytkownikom. Ceny te mogłyby spaść przy dużej liczbie klientów, ale kwoty, które są z początku wysokie, zniechęcają firmy i indywidualnych odbiorców do korzystania z łączności przez satelitę.
Jednocześnie sieci satelitarne mają ostrą konkurencję, nawet w terenach słabo zurbanizowanych, a zwłaszcza w dużych miastach. W dziedzinie telefonii ruchomej dominują sieci GSM, dużo tańsze w budowie. Dostęp do Internetu oferuje wielu operatorów bazujących na sieciach naziemnych i radiowych, dzięki technice światłowodowej dostęp ten jest coraz szybszy, możliwy w nowych regionach, a oferty są coraz bardziej konkurencyjne.
W takiej sytuacji przetrwać mogą przede wszystkim te systemy, które etap rozwoju mają już za sobą i ich pozycja na rynku jest ustalona. Są również pewne specyficzne funkcje i usługi, które zdecydowanie najprościej jest zrealizować właśnie przez satelitę. Przykładem może być tworzenie sieci prywatnej z jednostek rozproszonych po dużych obszarze - w czym świetnie sprawdzają się VSAT'y lub zapewnianie podstawowej łączności morskiej, co stało się domeną konsorcjum Inmarsat. Istnieją też miejsca, gdzie dostęp do sieci telefonicznych czy Internet nie jest możliwy w inny sposób niż przez satelitę ze względu na specyficzne położenie geograficzne. Jednak przypadków takich nie jest wiele, dlatego jest to raczej rynek dla mniejszych firm dzierżawiących łącze satelitarne i świadczących określone usługi.
Borysek12