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
3PRZYSZŁOŚĆ TECHNIK SATELITARNYCH
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
4PRZYSZŁOŚĆ TECHNIK SATELITARNYCH
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
5PRZYSZŁOŚĆ TECHNIK SATELITARNYCH
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
6PRZYSZŁOŚĆ TECHNIK SATELITARNYCH
Satelitarne Centrum Usług
Głównie Telewizja...
ale także dane oraz głos
Problemy: duże opóźnieniaduża wrażliwość na warunki atmosferyczneduże tłumienie propagacyjne
Kanał Zwrotny
Systemy satelitarne
7PRZYSZŁOŚĆ TECHNIK SATELITARNYCH
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
8PRZYSZŁOŚĆ TECHNIK SATELITARNYCH
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
10PRZYSZŁOŚĆ TECHNIK SATELITARNYCH
Dochody rynku usług satelitarnych
źródło: Clay Mowry, Nihar Shah, Arnold Friedman, Molly Freeland; “Satellite Statistics:An Examination by the Numbers”; Satellite 2006/
11PRZYSZŁOŚĆ TECHNIK SATELITARNYCH
Pojemność satelitów wyniesionych w 2005 r.
źródło: Clay Mowry, Nihar Shah, Arnold Friedman, Molly Freeland; “Satellite Statistics:An Examination by the Numbers”; Satellite 2006/
12PRZYSZŁOŚĆ TECHNIK SATELITARNYCH
Prognoza zapotrzebowania na pojemność łączy
źródło: Clay Mowry, Nihar Shah, Arnold Friedman, Molly Freeland; “Satellite Statistics:An Examination by the Numbers”; Satellite 2006/
13PRZYSZŁOŚĆ TECHNIK SATELITARNYCH
Prognoza zapotrzebowania na usługi
źródło: Clay Mowry, Nihar Shah, Arnold Friedman, Molly Freeland; “Satellite Statistics:An Examination by the Numbers”; Satellite 2006/
14PRZYSZŁOŚĆ TECHNIK SATELITARNYCH
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
15PRZYSZŁOŚĆ TECHNIK SATELITARNYCH
Kanał radiowy
Właściwości kanału radiowego: tłumienie sygnału opóźnienia zaniki efekt Dopplera zakłócenia
Zasoby widmowe są dzielone pomiędzy wielu użytkowników
Przykład: podział zakresu 300MHz – 3000MHz
16PRZYSZŁOŚĆ TECHNIK SATELITARNYCH
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
17PRZYSZŁOŚĆ TECHNIK SATELITARNYCH
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
18PRZYSZŁOŚĆ TECHNIK SATELITARNYCH
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).
19PRZYSZŁOŚĆ TECHNIK SATELITARNYCH
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
20PRZYSZŁOŚĆ TECHNIK SATELITARNYCH
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.
21PRZYSZŁOŚĆ TECHNIK SATELITARNYCH
Wydajności Widmowa Systemu DVB-S2
źródło: Alberto Morello, Vittoria Mignone; DVB-S2— ready for lift off; RAI, Radiotelevisione Italiana; EBU TECHNICAL REVIEW – October 2004
22PRZYSZŁOŚĆ TECHNIK SATELITARNYCH
Standardy cyfrowej transmisji rozsiewczej (broadcast)DVB-S / DVB-S2 DVB-C DVB-T
Telewizja cyfrowa - DVB
MPEG-2
MPEG-4
23PRZYSZŁOŚĆ TECHNIK SATELITARNYCH
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
24PRZYSZŁOŚĆ TECHNIK SATELITARNYCH
• 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
25PRZYSZŁOŚĆ TECHNIK SATELITARNYCH
Prognoza struktury satelitarnych programów TV
źródło: Clay Mowry, Nihar Shah, Arnold Friedman, Molly Freeland; “Satellite Statistics:An Examination by the Numbers”; Satellite 2006/
26PRZYSZŁOŚĆ TECHNIK SATELITARNYCH
Prognoza struktury satelitarnych programów TV
Na podstawie: Clay Mowry, Nihar Shah, Arnold Friedman, Molly Freeland; “Satellite Statistics:An Examination by the Numbers”; Satellite 2006/
27PRZYSZŁOŚĆ TECHNIK SATELITARNYCH
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.
28PRZYSZŁOŚĆ TECHNIK SATELITARNYCH
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
29PRZYSZŁOŚĆ TECHNIK SATELITARNYCH
Rozwój standardów MPEG-2/MPEG-4
30PRZYSZŁOŚĆ TECHNIK SATELITARNYCH
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
31PRZYSZŁOŚĆ TECHNIK SATELITARNYCH
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
32PRZYSZŁOŚĆ TECHNIK SATELITARNYCH
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
33PRZYSZŁOŚĆ TECHNIK SATELITARNYCH
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.
34PRZYSZŁOŚĆ TECHNIK SATELITARNYCH
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
35PRZYSZŁOŚĆ TECHNIK SATELITARNYCH
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)
36PRZYSZŁOŚĆ TECHNIK SATELITARNYCH
• 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
37PRZYSZŁOŚĆ TECHNIK SATELITARNYCH
Obszarpokrycia
HAPS
Dostawca usług
47 GHz
Internet
Systemy stratosferyczne HAPS
38PRZYSZŁOŚĆ TECHNIK SATELITARNYCH
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
39PRZYSZŁOŚĆ TECHNIK SATELITARNYCH
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
Top Related