dr inż. Krzysztof Hodyr

Systemy satelitarne

Sieci Bezprzewodowe Część 7 Satelitarne systemy telekomunikacyjne Podstawy prawne

Orbity typu LEO (Iridium, Globalstar) Orbity niskie (LEO) – orbity kołowe lub eliptyczne, od 200 do 3000 km nad Ziemią. Obszar orbit ograniczony od dołu gęstością atmosfery, a od góry tzw. strefami Van Allena (silne promieniowanie jonizujące). Okres obiegu Ziemi 90-150 minut, czas widoczności satelity ponad horyzontem do 20 minut. Promień obsługiwanego obszaru nie większy niż 3000-4000 km. System globalny – konstelacja od kilkudziesięciu do kilkuset satelitów na wielu orbitach. Problemy – przenoszenie ruchu telekomunikacyjnego, silny efekt Dopplera, szczątkowa atmosfera (degradacja orbity).

Orbity typu MEO (ICO, Odyssey) Orbity średnie (MEO) – orbity kołowe, od 8000 do 12000 km nad Ziemią. Okres obiegu około 6 godzin, czas widoczności ponad horyzontem – kilka godzin. System globalny – konstelacja kilkunastu satelitów, na trzech odpowiednio przesuniętych orbitach kołowych. Problemy – gorszy bilans energetyczny łącza, przenoszenie ruchu telekomunikacyjnego pomiędzy kolejnymi satelitami. Zalety – ekonomiczniejszy w stosunku do systemów LEO.

Zalety – dobry bilans energetyczny łączy, małe opóźnienie propagacyjne.

Orbity typu HEO (MOLNIYA, TUNDRA)

Orbity typu GEO (Astra, Thuraya, VSAT)

Orbity silnie eliptyczne (HEO) – perigeum około 500 km, apogeum do 50000 km.

Orbity geostacjonarne (GEO) – kołowe, leżące w płaszczyźnie równika na wysokości 35786 km (lub 42168 km licząc od środka Ziemi).

Czas widoczności – do kilkunastu godzin, ale użyteczna część tego okresu, podczas której prędkość kątowa satelity pozostaje prawie niezmienna wynosi od 4 do 8 godzin. Zwykle systemy dla wydzielonego obszaru Ziemi o cechach podobnych do systemów geostacjonarnych, tzn. aktywny satelita jest prawie nieruchomy w stosunku do punktów na powierzchni Ziemi i widoczny pod bardzo dużym kątem elewacji Problemy – trudności w stabilizowaniu orbity, zmienne tłumienie i opóźnienie propagacyjne sygnału radiowego, ograniczony czas życia (przelot przez strefy Van Allena).

Czas widoczności – nieruchomy dla obserwatora ze względu na okres obiegu satelity równy okresowi obrotu Ziemi. Globalne pokrycie (z wyjątkiem obszarów podbiegunowych) – zastosowanie tylko kilku satelitów, np. 4 w systemie INMARSAT. Problemy – niekorzystny bilans energetyczny łącza, duże opóźnienie propagacyjne (ponad 250 ms), trudna dostępność orbit. Zalety – łatwe zarządzanie ruchem telekomunikacyjnym – brak konieczności częstego przenoszenia ruchu między satelitami

Zalety – podobny do systemów geostacjonarnych.

1

Zakresy częstotliwości

Zakresy częstotliwości W paśmie 1-3 GHz funkcjonują: w zakresie częstotliwości L - 1610,0-1626,5 MHz, łącza ziemia-kosmos - 1613,8-1626,5 MHz, łącza kosmos-ziemia w zakresie częstotliwości S - 2483,5-2500 MHz, łącza kosmos-ziemia Wykorzystują je systemy LEO świadczące podstawowe usługi telefoniczne i umożliwiające lokalizację terminala (Globalstar).

Poniżej 1 GHz przypisano służbom satelitarnym m.in. wąskie zakresy między 137 a 470 MHz. Pasma te są stosowane przez systemy LEO do wolnej transmisji danych oraz przez satelity nawigacyjne i meteorologiczne.

Zakresy częstotliwości

Pasmo C (4 – 8 GHz) jest stosowane głównie w satelitarnych łączach dosyłowych. Nie przewiduje się jego stosowania w satelitarnych systemach szerokopasmowych.

Zakresy częstotliwości

Pasma X i Ku (10 – 18 GHz) są obecnie eksploatowane przez radiodyfuzję satelitarną i systemy satelitarnej transmisji danych. Kanał zwrotny (od abonenta) jest realizowany w paśmie Ka. Pasmo Ku jest stosowane przez SES Astra i Eutelsat i będzie wykorzystane do tworzenia systemów szerokopasmowych.

Architektura systemów satelitarnych

Architektura systemów satelitarnych

2

Architektura systemów satelitarnych

Segment naziemny Centrum zarządzania systemu – nadzoruje działanie całości sieci. Mogą być w nim wydzielone regionalne centra zarządzania oraz może być ono wspomagane przez ruchome naziemne centra kontroli. Centrum zarządzania segmentem kosmicznym – nadzoruje stan i ruch satelitów roboczych i rezerwowych sieci. Dokonuje zdalnych odczytów parametrów urządzeń satelity, nieznacznych korekty orbit oraz zmian statusu satelity (roboczy, rezerwowy, wyłączony). Centrum obsługi abonentów – nadzoruje komutowanie połączeń oraz realizuje funkcje taryfikacyjne. Stacje bazowe (Gateway) – zapewniają styki sieci z naziemną, szkieletową siecią telekomunikacyjną.

Segment naziemny

Platforma cyfrowa DVB-S DVB-S (ang. Digital Video Broadcasting - Satellite) wyznacza nowoczesny standard radiodyfuzji satelitarnej i świadczenia usług szerokopasmowych. Została zatwierdzona przez ETSI standardem ETS 300 421. Wykorzystując pojedynczy transponder satelitarny DVB-S o przepływności 38 Mb/s można zapewnić abonentom naziemnym: 4-8 standardowych kanałów telewizyjnych, 2 kanały telewizyjne wysokiej rozdzielczości (HDTV), 150 programów radiowych, 550 kanałów transmisyjnych ISDN po 64 kb/s, inne usługi szybkiej i wolnej transmisji danych

Stacja bazowa SpaceCom Systems (Chicago) i terminale Ericsson R290 (GSM900/Globalstar)

Platforma cyfrowa DVB-S Na platformie DVB-S zaimplementowano m.in.:

DVB-S z kanałem zwrotnym przez sieć PSTN

standard kodowania MPEG-2 (ang. Moving Picture Experts Group) dla sygnałów audio i wideo, mechanizm dostępu warunkowego CA (ang. Conditional Access) z kanałem zwrotnym poprzez publiczną sieć telefoniczną (PSTN), przez sieć cyfrową z integracją usług ISDN lub przez łącze satelitarne. Rozwiązanie z kanałem zwrotnym poprzez sieć PSTN zwane jest Turbo-Internet.

3

Platforma cyfrowa DVB-S Platforma DVB została opracowana dla ruchu niesymetrycznego. Podstawową jednostką transmisji danych w DVB-S jest kontener o pojemności 188 bajtów, a metodą modulacji - QPSK. Pięć sposobów transmisji danych: - Data Pipe (danociąg) - bezpośredni pakietowy transport danych pomiędzy użytkownikami końcowymi - Data Streaming (transport strumieni danych) – transmisja asynchronicznych, synchronicznych lub synchronizowanych strumieni danych - Multi-protocol Encapsulation MPE (wieloprotokołowe kapsułkowanie) - emulacja sieci LAN - Data Carousels (karuzele danych) - periodyczna transmisja zbiorów danych różnego typu i formatu - Object Carousels (karuzele obiektów) - podobny do Data Carousels, dane są formatu DVB Network Independent Protocol

System ACES

System ACES System satelitarnej telefonii komórkowej ACES (Asia Cellular Satellite) został zbudowany w firmie Lockheed, a jego właścicielem jest ACES International Limited, z siedzibą w Hamilton na Bermudach. Zaprojektowany do obsługi maksymalnie 2 mln użytkowników. Połączenia pomiędzy terminalami dokonywane są tylko przez satelitę. Oferuje transmisję sygnałów mowy, faksów i danych 2,4 kbit/s. Zasięg – 24 kraje z 60% światowej populacji ludzi Segment kosmiczny – satelita GEO na orbicie 1230E (docelowo dwa satelity) Centrum zarządzania w Batem (Indonezja), trzy stacje regionalne – Jakarta w Indonezji, Bangkok w Tajlandii oraz na Filipinach. Planowane stacje regionalne w Indiach i na Cejlonie.

Obszar pokrycia systemu ACES

Terminale użytkowników W systemie ACES są stosowane trzy rodzaje terminali: doręczne, pojazdowe, stacjonarne. Podstawowym rozwiązaniem jest doręczny osobisty satelitarny telefon dwusystemowy np. Ericsson R190. Osobisty telefon użytkownika waży 210 gramów. W opinii producenta jest to najmniejszy na świecie telefon satelitarny. System był często wykorzystywany w wyprawach na Mt. Everest i K2 w Himalajach.

System Thuraya

Obszar pokrycia systemu Thuraya

Zrealizowany przez firmy Boeing i Hughes. Właścicielem systemu jest Thuraya Satellite Telecommunications Company, z siedzibą w Abu Dhabi, w Zjednoczonych Emiratach Arabskich. Segment kosmiczny – 2 satelity na orbitach GEO, pierwszy na wysokości 35783 km na 510 E, drugi na wysokości 35768 km na 420 E. Centrum zarządzania w Sharjah w Z.E.A., pełniące też funkcje gateway'a. W planach jest utworzenie sieci stacji regionalnych pośredniczących w dostępie do sieci telekomunikacyjnych PSTN.

4

System Thuraya Antena główna satelity, przeznaczona do obsługi łączy ruchomych, wytwarza 250 wąskich wiązek, z których każda na powierzchni Ziemi oświetla obszar komórki o średnicy 450 km. Antena składa się z szyku 128 dipoli zaopatrzonych w płaski siatkowy reflektor o eliptycznym kształcie i aperturze 12,25 x 16 m. Formowanie i położenie wiązek jest kontrolowane przy użyciu specjalnego procesora, którego oprogramowanie umożliwia także zmianę szerokości wiązki, w celu dostosowania rozmiaru komórki do aktualnego ruchu telekomunikacyjnego. Oprócz anteny głównej na satelicie są zainstalowane dwie anteny do łączności ze stacjami naziemnymi, których reflektory mają średnicę 1,27 m. Czas pracy satelitów przewidziano na 12 lat.

Elementy systemu Thuraya

System Thuraya Połączenia pomiędzy terminalami użytkowników są dokonywane przez satelitę, na którego pokładzie jest dokonywana komutacja takich połączeń. Wykorzystano modulację π/4 QPSK. Szerokość pasma kanału radiowego wynosi 27,7 kHz, przy zastosowaniu wielodostępu typu TDMA/FDMA, w którym ramka składa się z ośmiu szczelin czasowych. Przepustowość kanału wynosi 46.8 kb/s Terminale satelitarne THURAYA pracują w paśmie L (uplink 1,6265 do 1,6605 GHz, downlink 1,525 do 1,559 GHz). Terminal oferuje następujące podstawowe usługi telekomunikacyjne: - transmisja sygnału mowy - transmisja danych i łączność faksowa z prędkością 9,6 kbit/s.

System Globalstar Zaprojektowany przez Loral Space & Communications oraz Qualcomm. Segment kosmiczny – na orbitach LEO (wys. ~1400 km) zdołano umieścić 48 z planowanych 64, tracąc przy tym 12 satelitów. System ma status operacyjny i obsługuje 69 tys. użytkowników. W systemie możliwa jest transmisja mowy i danych 9,6 kbit/s.

Obszar pokrycia systemu Globalstar

Inne systemy Iridium – opracowany przez koncern Motorola w latach 1987-1990 66 satelitów aktywnych plus 6 zapasowych na orbitach LEO (wys. ~780 km). VSAT Clearlink 400 – w Polsce to 2 stacje nadzorujące (HUB) sieci zlokalizowane w Porębach Leśnych. Stacja HUB/VSAT Clearlink 400 została uruchomiona w 1993 roku, zaś HUB/VSAT FTDMA w 2000 roku. Stacje pracują poprzez satelitę EUTELSAT W3 na pozycji 70 E. W Polsce usługi VSAT świadczą m.in. takie firmy jak: Telekomunikacja Polska S.A., Telbank S.A., Pagi VSAT S.A., Telenor Satellite Polska S.A., LINIA SAT firmy TDC Internet Polska S.A., QUANT oraz iSAT.

5

Stacja VSAT w Porębach Leśnych

Intelsat Intelsat – Światowy system łączności powstały w 1964 roku. Jest aktualnie największą organizacją satelitarną umożliwiającą świadczenie następujących usług: -

połączenia telefoniczne (głos i dane) połączenia punkt-punkt (stałe i tymczasowe) sieci korporacyjne (VSAT) satelitarny dostęp do internetu serwisy wideo

24 satelity GEO w czterech regionach: AOR, IOR, POR, APR (Atlantic Ocean Region, Indian Ocean Region, Pacific Ocean Region, Atlantic Pacific Region). Korzystają z niego operatorzy telekomunikacyjni z ponad 200 krajów świata.

Intelsat

Inmarsat

Intelsat – Segment naziemny składa się z około 1000 stacji standardu A-F oraz kilku tysięcy stacji standardu G (o małym rozmiarze anten). Wykorzystywane są zakresy częstotliwości C i Ku. W przypadku anten wyższych klas możliwa jest transmisja w łączu satelitarnym z przepływnością rzędu 2 Mb/s.

Inmarsat – Globalny system ruchomej łączności satelitarnej ze swoim pierwotnym przeznaczeniem dla służb morskich. Powstał w 1979 r, rozpoczynając pracę operacyjną trzy lata później.

Centrum zarządzania systemem znajduje się w Waszyngtonie.

Segment kosmiczny składa się z 4 satelitów geostacjonarnych operacyjnych oraz 5 rezerwowych na orbicie. Umieszczone są w strefach Oceanu Atlantyckiego - wschodnia AOR-E i zachodnia AOR-W, Oceanu Indyjskiego IOR oraz Oceanu Spokojnego POR. Występuje kilka realizacji systemu Inmarsat.

Inmarsat A Inmarsat A – system analogowy, najstarszy. Zapewnia komunikację telefoniczną (FM) i teleksową (BPSK) terminalom znajdującym się na statkach w całym obszarze między 75°N a 75°S. Może być też wykorzystywany na lądzie w miejscach trudnodostępnych i przy braku infrastruktury telekomunikacyjnej. Standard Inmarsat-A jest elementem globalnego systemu łączności "na ratunek" (GMDSS - Global Maritime Distress and Safety System). Transmisja może się odbywać z maksymalną szybkością od 1,2 do 64 kb/s.

Inmarsat B Inmarsat B – cyfrowa odmiana systemu Inmarsat A. Zapewnia realizację następujących usług: -

transmisja głosu - 16 kb/s i danych - 9,6 kb/s szybka transmisja danych do 64 kb/s łączność na ratunek (GMDSS) dostęp do sieci telefonicznej PSTN, ISDN, teleksowej

Od poprzedniego systemu odróżnia się mniejszymi antenami i wielkością terminali. Waga przenośnego terminala tego standardu nie przekracza 22 kg.

6

Inmarsat C Inmarsat C – system transmisji danych w łączności ruchomej. Umożliwia realizację usług takich jak Inmarsat B, ale charakteryzuje się jeszcze mniejszymi terminalami. Terminal waży około 5kg a antena nie wymaga pozycjonowania. Ważnym zastosowaniem standardu Inmarsat C jest zarządzanie transportem i załadunkiem. Może być stosowany w systemach monitorowania i kontroli natężenia ruchu, aktywności sejsmicznej, warunków atmosferycznych czy jakości wody. Jest ważnym elementem systemu GMDSS. System ten używany jest w komunikacji morskiej, powietrznej i lądowej.

Inne systemy Inmarsat

Inmarsat M Inmarsat M – występuje w odmianach morskiej i lądowej. W wersji lądowej są to przenośne terminale walizkowe bądź montowane w pojazdach. Anteny tego standardu to albo płaskie anteny stanowiące pokrywę walizki, albo anteny z reflektorem parabolicznym o średnicy ok. 40 cm z ręcznym ustawieniem położenia (wystarczy jedynie w przybliżeniu zorientować antenę na satelitę i można nawiązać łączność satelitarną). Inmarsat M zapewnia transmisję danych i faksów o przepływności 2,4 kbit/s oraz kanał telefoniczny o przepływności 6,4 kbit/s. Łączność w tym systemie charakteryzuje się wysokim stopniem niezawodności i jakości sygnału bez zaników i szumu.

Obszar pokrycia Inmarsat mini-M

Inmarsat mini-M – system znajdujący szczególne zastosowanie na obszarach pozbawionych infrastruktury telekomunikacyjnej (PSTN, GSM). Umożliwia on realizację cyfrowych połączeń telefonicznych, telefaksowych oraz transmisję danych. Przenośne, walizkowe terminale rozmiarami są zbliżone do książki formatu A4 i ważą wraz z bateriami do 2.5 kg. Anteny stosowane w tych terminalach są płaskie i stanowią pokrywę walizki. Prędkość transmisji głosu - 4,8 kbit/s, faksu i danych - 2,4 kbit/s. Nieodłączną częścią terminala jest karta SIM, która aktywizuje terminal oraz stanowi identyfikator abonenta, pozwala również kodować przesyłane informacje. System numeracji jest analogiczny do schematu obowiązującego w przypadku połączeń międzynarodowych. Inmarsat M4, Inmarsat F – nowo wprowadzane standardy.

Podstawy prawne Organ nadzorujący wykorzystanie pasm radiowych w Polsce – Prezes Urzędu Komunikacji Elektronicznej (UKE) Urząd Komunikacji Elektronicznej (UKE) podlega Ministerstwu Transportu i Budownictwa

Akty prawne są publikowane na witrynie UKE www.uke.gov.pl oraz na witrynie Ministerstwa Transportu i Budownictwa www.mtib.gov.pl

Podstawy prawne Zakładanie i eksploatację sieci telekomunikacyjnych, w tym sieci radiowych, regulują podstawowe akty prawne: ustawa Prawo telekomunikacyjne (z dnia 16 lipca 2004 r. Dz.U. Nr 171, poz. 1800, Nr 273, poz. 2703 z 2004 r. i Nr 163, poz. 1362 z 2005 r.), ustawa o systemie oceny zgodności (z dnia 30 sierpnia 2002 r. - Dz.U. Nr 166, poz. 1360), ustawa Prawo budowlane (z dnia 7 lipca 1994 roku - tekst jednolity Dz.U. z 2000 r. Nr 106 poz. 1126, oraz Dz.U. z 2001r. Nr 129, poz. 1439), ustawa Prawo ochrony środowiska (z dnia 27 kwietnia 2001 roku - Dz.U. Nr 62, poz. 627)

7

Podstawy prawne

Podstawy prawne

Publiczne sieci telekomunikacji przewodowej lub radiowej mogą być zakładane przez osoby posiadające odpowiednie uprawnienia do pełnienia samodzielnych funkcji technicznych w budownictwie telekomunikacyjnym.

Do instalacji urządzeń radiowych wymagane jest uzyskanie oceny ich oddziaływania na środowisko, o ile wytwarzane przez nie pola elektromagnetyczne w.cz. przekraczają wartości określone w rozporządzeniu Ministra Ochrony Środowiska, Zasobów Naturalnych i Leśnictwa z 11 sierpnia 1998 r. w sprawie szczegółowych zasad ochrony przed promieniowaniem szkodliwym dla ludzi i środowiska, dopuszczalnych poziomów promieniowania, jakie mogą występować w środowisku, oraz wymagań obowiązujących przy wykonywaniu pomiarów kontrolnych promieniowania (Dz.U. 1998 nr 107 poz. 676).

Wymagania dla uzyskania takich uprawnień oraz tryb ich wydawania reguluje rozporządzenie Ministra Łączności z 10 października 1995 roku w sprawie samodzielnych funkcji technicznych w budownictwie telekomunikacyjnym (Dz.U. z 1995 r. Nr 120, poz. 581 oraz Dz.U. z 2001 r. Nr 71 poz. 741).

Eksploatacja sieci bezprzewodowych wymaga posiadania przez jej operatora: właściwego uprawnienia do świadczenia usług telekomunikacyjnych, jeżeli sieć jest siecią publiczną pozwolenia na używanie urządzeń radiowych w szczególnych przypadkach - rezerwacji częstotliwości dokumentów, stwierdzających że zainstalowane w sieci urządzenia telekomunikacyjne, podlegające obowiązkowej ocenie zgodności (dotyczy to w szczególności wszystkich radiowych urządzeń nadawczych i nadawczo-odbiorczych) spełniają wymagania ustawy (tzw. świadectwa homologacji)

Uprawnienie do świadczenia usług zezwolenie telekomunikacyjne, udzielane przez Prezesa UKE na podstawie przepisów art. od 7 do 13 Prawa telekomunikacyjnego - jeżeli sieć jest publiczną siecią telefoniczną lub publiczną siecią przeznaczoną do rozprowadzania lub rozpowszechniania programów radiofonicznych lub telewizyjnych, zgłoszenie Prezesowi UKE, z co najmniej 28-dniowym wyprzedzeniem, zamiaru podjęcia zmierzonej działalności telekomunikacyjnej nie wymagającej konieczności uzyskiwania zezwolenia telekomunikacyjnego. Brak reakcji Prezesa UKE na zgłoszenie, tj. nie wydanie przez niego decyzji administracyjnej w sprawie sprzeciwu względem zgłoszenia (Prezes ma na to 21 dni od dnia wpływu zgłoszenia) upoważnia przedsiębiorcę do podjęcia zgłoszonej działalności telekomunikacyjnej.

Rozporządzenie MI z 24.10.2005 r Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 24 października 2005 r. w sprawie urządzeń radiowych nadawczych lub nadawczo-odbiorczych, które mogą być używane bez pozwolenia radiowego (Dz. U. Nr 230, poz. 1955) określiło szereg grup takich urządzeń. Aneks nr 3 do tego rozporządzenia specyfikuje przyjęte w Polsce zakresy częstotliwości i parametry techniczne urządzeń przeznaczonych dla szerokopasmowych systemów transmisji danych: 2400,0 – 2483,5 MHz 5150 – 5250 MHz 5250 – 5350 MHz 5470 – 5725 MHz 17,1 – 17,3 GHz

100 mW e.i.r.p. 10mW/1MHz 200 mW e.i.r.p. 0,25mW/25kHz 200 mW e.i.r.p. 10mW/1MHz 1 W e.i.r.p. 50mW/1MHz 100 mW e.i.r.p.

8