Stan systemów telekomunikacji satelitarnej

Transkrypt

1 Stan systemów telekomunikacji satelitarnej 57 Marian KOPCZEWSKI Instytut Polityki Społecznej i Stosunków Międzynarodowych, Politechnika Koszalińska marian.kopczewski@tu.koszalin.pl Stan systemów telekomunikacji satelitarnej Historia radiokomunikacji liczy ponad 100 lat. Do końca lat 50. ubiegłego wieku rozwój radiokomunikacji dotyczył przede wszystkim sprzętu. W latach 60. i późniejszych zaczęły się pojawiać nowe systemy radiokomunikacyjne, w tym satelitarne. Ogromną furorę zrobił system radiokomunikacji ruchowej lądowej GSM. Wprowadzenie techniki cyfrowej, rozwój technologii elektronicznej, opanowanie metod szybkiego przetwarzania sygnałów powoduje, Ŝe współczesne systemy radiokomunikacyjne w znikomym stopniu przypominają systemy sprzed lat. Część stricte radiowa stanowi niewielki procent całego systemu. DąŜy się do tego, aby moŝliwie na początku toru przekształcić sygnał analogowy na sygnał cyfrowy, a następnie stosować wyłącznie zasady przetwarzania sygnałów. Pojawiły się zupełnie nowe pojęcia, takie jak: inteligentne anteny, radio programowalne. Ogromny wzrost mobilności współczesnych społeczeństw powoduje, Ŝe radio staje się podstawowym narzędziem wymiany informacji. RównieŜ gwałtowny rozwój technik przetwarzania informacji oraz przemiany świadomości uŝytkowników sprawiają, Ŝe coraz powszechniejsze staje się wykorzystywanie systemów satelitarnych do realizacji zadań obejmujących nie tylko przekazywanie danych komputerowych, lecz równieŝ tzw. usługi czasu rzeczywistego (telefonia, wideo oraz ich połączenia), które tradycyjnie uznawano dotąd za domenę naziemnych sieci telekomunikacyjnych. 1. Powstanie systemów łączności satelitarnej i ich charakterystyka Człowiek zawsze odczuwał potrzebę przekazywania informacji na duŝą odległość. Wynalezienie pisma uwolniło naszych przodków od przestrzennych i czasowych ograniczeń w wymianie informacji. Przez wiele stuleci rozwój sposobów przekazywania wiadomości był jednak znikomy. Dopiero wynalezienie przez Samuela Morse a w 1837 r. telegrafu elektrycznego zapoczątkowało intensywny rozwój telekomunikacji. Następnym przełomem w rozwoju telekomunikacji było opanowanie metod generacji, promieniowania i odbioru fal elektromagnetycznych Powstanie i rozwój systemów radiokomunikacji satelitarnej Zastosowanie do dalekosięŝnej łączności radiowej obiektów leŝących poza Ziemią było rozwaŝane teoretycznie od dawna. JuŜ w roku 1945 Artur C. Clarke fizyk i autor ksią- Ŝek z gatunku science fiction, dotyczących eksploracji przestrzeni kosmicznej i obszarów podmorskich przedstawił propozycję zastosowania sztucznych satelitów Ziemi do budowy systemu telekomunikacyjnego [1]. Dopiero jednak umieszczenie przez Związek Radziecki na orbicie Sputnika ( ) pierwszego sztucznego satelity Ziemi

2 58 Marian Kopczewski stworzyło techniczne moŝliwości realizacji telekomunikacji satelitarnej. W początkowym okresie badano dwa rozwiązania satelitarnych linii radiowych: z satelitami pasywnymi i z satelitami aktywnymi [2]. W pierwszym przypadku satelita w postaci kulistego balonu o średnicy m i metalizowanej powierzchni stanowi obiekt rozpraszający fale elektromagnetyczne. Dzięki temu część energii wypromieniowanej przez jedną stację naziemną trafia do anteny odbiorczej drugiej stacji naziemnej. W 1960 roku umieszczono na orbicie satelitę pasywnego Echo-1. Dokonano wówczas pierwszej transmisji sygnałów telefonicznych i telewizyjnych między stacjami naziemnymi, stosując częstotliwości 1,0 i 2,5 GHz. W drugim przypadku, na pokładzie satelity znajduje się tzw. transponder, tj. urządzenie elektroniczne odbierające sygnały przychodzące z Ziemi, wzmacniające je i przesuwające do innego zakresu częstotliwości, a następnie po ponownym wzmocnieniu wysyłające je w kierunku Ziemi. Pierwszy eksperyment z satelitą aktywnym Courier-1B przeprowadzono w 1960 roku. Satelita zapisywał transmisje z Ziemi w pamięci magnetycznej i retransmitował je po otrzymaniu odpowiedniego rozkazu. W 1962 roku przeprowadzono pierwsze eksperymentalne transmisje transoceaniczne (sygnały telewizyjne i wielokrotne sygnały telefoniczne) za pośrednictwem sztucznego satelity Ziemi między duŝymi stacjami naziemnymi: Andover w USA, Pleumeur-Bodou we Francji i Goonhilly Downs w Wielkiej Brytanii. Wkrótce uznano, Ŝe optymalnym satelitą telekomunikacyjnym jest satelita poruszający się po orbicie geostacjonarnej, której wysokość wynosi około km nad równikiem ziemskim. Taki satelita zwany satelitą geostacjonarnym jest pozornie nieruchomy względem obserwatora znajdującego się na powierzchni Ziemi [2]. Satelitowa stacja retransmisyjna, umieszczona na pokładzie satelity geostacjonarnego, jest w stanie objąć swym zasięgiem obszar o powierzchni dziesiątków milionów kilometrów kwadratowych, zapewniając praktycznie jednakowe warunki odbioru we wszystkich rejonach oświetlanego obszaru. W sierpniu 1964 roku 19 państw utworzyło pierwszą międzynarodową organizację telekomunikacji satelitarnej INTELSAT. W kwietniu 1965 roku organizacja ta umieściła na orbicie geostacjonarnej pierwszego operacyjnego satelitę telekomunikacyjnego pod piękną nazwą Early Bird, którą później zmieniono na bardzo prozaiczną nazwę Intelsat-I. Datę tę uwaŝa się za początek komercyjnej radiokomunikacji satelitarnej. Zdolność przepustowa pierwszego komercyjnego satelity telekomunikacyjnego była na obecne pojęcia znikoma, umoŝliwiał on retransmisję zaledwie 240 kanałów telefonicznych. Wkrótce jednak skonstruowano nowe znacznie pojemniejsze satelity. W 1971 roku umieszczono na orbicie geostacjonarnej pierwszego satelitę z serii Intelsat-IV, umoŝliwiającego utworzenie łączy telefonicznych i dwóch kanałów telewizyjnych. Kolejne satelity z serii Intelsat-IV zapewniały coraz większą przepływność. Telekomunikacja satelitarna jako jedyny środek łączności zapewniała wówczas szerokopasmową transmisję międzykontynentalną. Organizacja INTELSAT liczy obecnie 219 członków i uŝytkowników, w tym 143 sygnatariuszy. Liczba naziemnych stacji satelitarnych tego systemu, standardów od A do F, wynosi ponad 800 oraz ponad 1000 standardu G (tj. o bardzo małych antenach). W grudniu 1993 roku w Waszyngtonie doszło do podpisania przez rząd Polski umowy w sprawie Międzynarodowej Organizacji Łączności Satelitarnej INTELSAT, która we-

3 Stan systemów telekomunikacji satelitarnej 59 szła w Ŝycie roku. Na jej podstawie Polska została członkiem tej organizacji, a funkcję sygnatariusza powierzono Telekomunikacji Polskiej S.A. W roku 1971 utworzono drugą międzynarodową organizację telekomunikacji satelitarnej INTERSPUTNIK (9 członków załoŝycieli, w tym Polska). Obecnie do organizacji tej naleŝą 23 państwa; w systemie pracuje 96 naziemnych stacji satelitarnych zlokalizowanych w Europie, Ameryce, Afryce, Azji oraz na Bliskim i Dalekim Wschodzie. Do pracy wykorzystuje się 33 transpondery na 8 satelitach, w przedziale orbitalnych pozycji od 14 W do 161 E. Polska od początku realizowała ambitny plan budowy systemów telekomunikacji satelitarnej. JuŜ w 1974 roku oddano do eksploatacji pierwszą w Polsce naziemną stację satelitarną w Psarach koło Kielc, wyposaŝoną w antenę o średnicy 12,5 m i przystosowaną do pracy w systemie Intersputnik. W systemie INTELSAT pracują w Psarach dwie stacje satelitarne (obie w najwyŝszym standardzie A). Jako pierwsza została uruchomiona w 1982 roku stacja INTELSAT AOR. Stacja ta obejmuje swym zasięgiem obie Ameryki, Europę, całą Afrykę oraz Bliski Wschód. WyposaŜona jest w antenę o średnicy 32 m w konfiguracji Cassegraina i współpracuje z satelitą umieszczonym na pozycji 35,5 E. Druga stacja INTELSAT IOR została uruchomiona w 1989 roku. Obsługuje ona Europę, Bliski i Daleki Wschód, Australię oraz Afrykę. Jest ona wyposaŝona w antenę o średnicy 16 m i współpracuje z satelitą umieszczonym na pozycji 60 E [3]. W roku 1988 ułoŝono pierwszy podmorski kabel światłowodowy TAT-8. Wkrótce okazało się, Ŝe telekomunikacja światłowodowa moŝe świadczyć znacznie szerszy zakres usług niŝ telekomunikacja satelitarna. Monopol telekomunikacji satelitarnej na świadczenie szerokopasmowych usług międzykontynentalnych został przełamany [4]. Dzięki wprowadzeniu zwielokrotnienia falowego (WDM Wave Division Multiplex) moŝliwości przesyłowe kabli światłowodowych stały się nieomal nieograniczone. Telekomunikacja satelitarna zaczęła więc szukać usług niszowych, które usprawiedliwiałyby jej istnienie. Niemniej jednak stale się ona rozwija. 6 września 2002 roku organizacja INTELSAT umieściła na orbicie geostacjonarnej (64 E) satelitę IS Nowy satelita jest wyposaŝony w 72 transpondery pracujące w paśmie C i 22 transpondery pracujące w paśmie Ku. Będzie świadczył wydajne usługi telefoniczne, zapewni dostęp do Internetu oraz zwiększy moŝliwość nadawania programów telewizyjnych dla Europy, Azji, Australii i Afryki. Niestety, zdarzają się teŝ niepowodzenia. Największy cywilny satelita telekomunikacyjny Astra 1K, mający między innymi świadczyć interaktywne usługi multimedialne [3], zbudowany przez firmę Alcatel dla znanego wszystkim telewidzom operatora SES (Société Europénne des Satellites) miał być umieszczony na orbicie geostacjonarnej 25 listopada 2002 r. Czwarty człon rakiety Proton, która miała wynieść satelitę na orbitę zawiódł. Satelita obecnie okrąŝa Ziemię na wysokości 173,4 km zamiast krąŝyć po orbicie geostacjonarnej na wysokości km. Na razie wart 300 milionów dolarów sprzęt uznano za stracony. W szczytowym okresie rozwoju telekomunikacji satelitarnej stosowano prawie wyłącznie satelity umieszczone na orbicie geostacjonarnej. Zaletą orbity geostacjonarnej jest moŝliwość zapewnienia łączności w skali globalnej (z wyjątkiem obszarów podbiegunowych) za pomocą niewielkiej liczby satelitów. Satelity geostacjonarne mają jednak wady, do których zalicza się duŝe tłumienie i duŝe opóźnienie sygnału na trasach Ziemia satelita i satelita Ziemia.

4 60 Marian Kopczewski W byłym Związku Radzieckim stosowano satelity umieszczone na wydłuŝonych orbitach eliptycznych (apogeum na wysokości około km nad półkulą północną). Satelity umieszczone na wydłuŝonych orbitach eliptycznych mają podobne właściwości (dobre i złe) jak satelity geostacjonarne, z wyjątkiem stacjonarności (obserwator na powierzchni Ziemi w otoczeniu apogeum dostrzega powolny ruch satelity) [5]. Pod koniec XX wieku pojawiło się zainteresowanie konstelacjami satelitów umieszczonych na niskich (LEO Low Earth Orbit) lub średnich (MEO Medium Earth Orbit) orbitach. Satelity telekomunikacyjne na orbitach niskich krąŝą wokół Ziemi na wysokości od 700 km do 1600 km. Okres obiegu satelity wynosi od 90 do 120 minut. Pojedynczy satelita jest w obszarze widoczności stacji naziemnej przez około 20 minut. Konstelacja satelitów jest zbudowana w ten sposób, Ŝe po zajściu poza lokalny horyzont stacji naziemnej jednego satelity w obszarze jej widoczności pojawia się następny satelita, który przejmuje jej obsługę. Ze względu na duŝą prędkość satelity względem stacji naziemnej, systemy stosujące konstelacje LEO muszą pracować z uwzględnieniem duŝych przesunięć częstotliwości wynikających z efektu Dopplera. PołoŜenie orbit LEO i MEO w przestrzeni nie jest przypadkowe, zostały one wybrane w taki sposób, aby leŝały poza strefami Van Allena. Są to obszary bardzo silnego promieniowania jonizującego, które powoduje uszkodzenia elementów elektronicznych małych, nieekranowanych satelitów telekomunikacyjnych. Opracowano kilka projektów systemów satelitarnych stosujących satelity na niskich lub średnich orbitach. Dwa z nich: Irydium i Globalstar, pomyślane jako systemy wspomagające komunikację z obiektami ruchomymi, zostały zrealizowane, ale nie odgrywają istotnej roli. Dwa następne: SkyBridge i Teledesic, pomyślane jako szerokopasmowe systemy dostępowe i multimedialne, są w trakcie realizacji. Trudno dziś wyrokować o ich sukcesie. Warto jeszcze wspomnieć o systemach z małymi terminalami (VSAT Very Small Aperture Terminals). Zapewniają one trans misję danych ze średnimi prędkościami, zwykle 64 kbit/s (maksymalnie do 2Mbit/s). Sieci VSAT są bardzo popularne w USA. W Europie nie zdobyły większego uznania. W Polsce działa bez większego powodzenia kilka sieci VSAT [13]. Obecnie istnieją dwa typy architektur systemów satelitarnych, które wykorzystują współczesne siły morskie NATO. RóŜnią się głównie sposobem wykorzystania systemów satelitarnych, a przede wszystkim przesyłaniem informacji. W pierwszym przypadku satelity są tylko siecią dostępową, a ich sygnał z terminala abonenckiego jest transmitowany do satelity i zaraz z powrotem na Ziemię do stacji bazowej (rys. 1). Dalej jest odpowiednio przetwarzany i przesyłany juŝ w szkieletowej sieci naziemnej. W takim układzie satelita tylko retransmituje sygnał na Ziemię, nie przekształca go, jako Ŝe nie zna jego typu, nie jest teŝ w stanie wzmocnić sygnału. W tym sygnale nie mogą być teŝ przesyłane Ŝadne informacje sterujące, potrzebny jest do tego osobny kanał od stacji bazowej do satelity. Główny nacisk połoŝony jest na segment naziemny sieci, gdzie są anteny terminali i stacji bazowych oraz moce sygnałów, jako Ŝe muszą uwzględnić wpływ szumów na drodze Ziemia satelita i satelita Ziemia.

5 Stan systemów telekomunikacji satelitarnej 61 Taka architektura jest bardzo popularna i chętnie stosowana z dwóch powodów: konstrukcja satelitów jest uproszczona, pozbawione są one elementów wzmacniających, przetwarzających i komutujących wiadomości (prosta konstrukcja oznacza większą niezawodność); transmisja sygnału przez satelitę jest przeźroczysta, satelita nie zna typów przesyłanych wiadomości, nie ingeruje w nie co oznacza, Ŝe moŝe przesyłać wiadomości dowolnego typu bez konieczności zgodności protokołów transmisyjnych. S ate lita S ate lita S z kie le letow a sie ć n a zi ziem na Te Term in ina ll S ta tacja b az azow a S ta tacja ba z ow a Te Term ina ll Rys. 1. Architektura sieci satelitarnej: jako sieć dostępowa [7] W drugim przypadku satelity stanowią zarówno sieć dostępową, jak i szkieletową (rysunek 2). Stacje bazowe pełnią rolę nadzorczą, poza tym muszą istnieć na Ziemi punkty dostępu do naziemnych sieci telekomunikacyjnych (tzw. ang. gateways ). MoŜe równieŝ występować naziemna sieć szkieletowa (albo przynajmniej jej część) uzupełniająca działanie jej satelitarnego odpowiednika, gdzie przetwarzanie wiadomości następuje juŝ w satelitach. Do przesyłania wiadomości bezpośrednio między nimi słuŝą łącza międzysatelitarne ISL (ang. Inter Satellite Links). Pomysł architektury tego typu wynika z dąŝenia do maksymalnego uproszczenia i zmniejszenia rozmiarów terminali abonenckich. W tym przypadku konieczne wielkości anten i moce transmitowane będą mniejsze. Jest to sprawa kluczowa przy projektowaniu sieci komunikacji osobistych S-PCN (ang. Satellite Personal Communication Network). Jednocześnie dzięki przesyłaniu wiadomości bezpośrednio między satelitami zmniejszają się opóźnienia w transmisji. Taka konstrukcja systemów satelitarnych stała się moŝliwa dopiero niedawno wraz z postępem techniki. Konieczne jest wyniesienie na orbitę satelitów zbudowanych w sposób duŝo bardziej skomplikowany i zapewnienie im odpowiedniej niezawodności działania.

6 62 Marian Kopczewski Satelita Satelita Szkieletowa sieć satelitarna z łączami ISL Terminal Szkieletow a sieć naziemna Stacja bazowa Terminal Rys. 2. Architektura sieci satelitarnej: jako sieć szkieletowo-dostępowa [7] W kaŝdym systemie satelitarnym generalnie, moŝna wyróŝnić dwa elementy składowe: segment naziemny i segment kosmiczny Segment naziemny Segment naziemny stanowią terminale abonenckie ruchome lub stacjonarne, stacje bazowe i szkieletowa sieć naziemna. Terminale abonenckie są wyposaŝone w antenę do nadawania i odbierania danych z satelity oraz w urządzenia do przetwarzania sygnałów radiowych wysokiej częstotliwości na sygnały mowy, ramki określonego protokołu, itp. W satelitarnych systemach komunikacji osobistej S-PCN zakładających moŝliwość przemieszczania się abonenta z terminalem dąŝy się do minimalizacji rozmiarów terminali abonenckich, a więc jak najwięcej funkcji przetwarzania sygnału przerzuca się na inne elementy sieci. W systemach z terminalami stacjonarnymi istnieje równieŝ tendencja do zmniejszania rozmiarów terminali, lecz nie jest to w tym przypadku aŝ tak istotne. Terminalem abonenckim moŝe być telefon przenośny z moŝliwością łączenia się z innymi sieciami, nie tylko telefonicznymi, ale takŝe np. z Internetem. Takim terminalem moŝe być teŝ stacjonarny moduł dołączony do komputera, który będzie dla abonenta łączem z siecią rozległą. Na ten terminal mogą być wysyłane róŝne dane związane z usługami multimedialnymi np.: transmisja video, telekonferencja oraz faksy. Nie ma Ŝadnego ograniczenia, które powodowałoby, Ŝe usługi dostępne w sieciach stacjonarnych nie będą dostępne w sieciach satelitarnych.

7 Stan systemów telekomunikacji satelitarnej 63 Terminale abonenckie, gdy istnieje potrzeba przesłania danych, wysyłają je do najbliŝszego lub w danej chwili dostępnego satelity. Ten z kolei przesyła dane przez następne satelity, ale najczęściej od razu do najbliŝszej lub po prostu odpowiedniej mu naziemnej stacji bazowej. JeŜeli przeznaczeniem tej wiadomości jest miejsce na Ziemi w jednej z naziemnych sieci telekomunikacyjnych (np. abonencka sieć telefoniczna lub Internet) stacja bazowa przesyła tę wiadomość dalej przez naziemną sieć szkieletową do punktu będącego połączeniem z tą naziemną siecią telekomunikacyjną. Punkt taki zwany jest adapterem sieciowym (ang. gateway ). Od tego punktu wiadomość przesyłana jest juŝ według zasad obowiązujących w owej sieci naziemnej. JeŜeli jednak wiadomość ma być przesłana do innego posiadacza terminala abonenckiego sieci satelitarnej, wędruje ona przez naziemną sieć szkieletową do stacji bazowej najbliŝszej satelity, który z kolei będzie w stanie przetransmitować ją do owego terminala abonenckiego. W tym przypadku wiadomość musi cztery razy przebyć drogę Ziemia satelita, w porównaniu z dwukrotną taką drogą dla poprzedniego przypadku. Istnieją rozwiązania techniczne (zwłaszcza w systemach S-PCN) umoŝliwiające 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 duŝe opóźnienia w transmisji wynikające z duŝych odległości między Ziemią a satelitami Segment kosmiczny Ten element systemu składa się określonej liczby satelitów umieszczonych na orbitach okołoziemskich. Satelity te do poprawnego działania potrzebują oczywiście energii, co zwykle rozwiązywane jest poprzez posiadane przez nie baterie słoneczne. W większości systemów wszystkie satelity krąŝą po orbitach tego samego typu ta sama odległość od Ziemi i kąt nachylenia orbity, lecz nie jest to regułą. Satelity moŝna klasyfikować właśnie ze względu na typy orbit. WyróŜnia się orbity: LEO orbity niskie, o wysokości od 500 do 2000 km nad powierzchnią Ziemi. PoniŜej 500 km atmosfera jest zbyt gęsta i występowałyby zbyt duŝe tarcia w ruchu satelity, natomiast powyŝej 2000 km zaczyna się pierwsza strefa Van Allena obszar bardzo silnego promieniowania jonizującego mogącego spowodować uszkodzenie elektronicznych elementów satelity przebywającego w niej przez dłuŝszy czas. Mała wysokość lotu satelity oznacza jego duŝą prędkość (siła odśrodkowa musi zrównowaŝyć siłę grawitacji) tak, więc satelita przez krótki okres czasu pozostaje w zasięgu stacji naziemnej czy to bazowej czy abonenckiej do 20 minut. W przypadku transmisji danych czasu rzeczywistego (transmisja rozmowy telefonicznej lub filmu video) kluczowym staje się problem przełączeń dróg transmisji. Jednocześnie duŝa prędkość satelity rodzi problem proporcjonalnie duŝych dopplerowskich zmian częstotliwości [8]. Pojedynczy satelita krąŝący na tej wysokości ma w swoim zasięgu obszar na powierzchni Ziemi o promieniu nie większym niŝ 4000 km. Stworzenie systemu globalnego wymaga umieszczenia na orbicie wielu satelitów np. kilkudziesięciu, krąŝących po róŝnych orbitach. Orbity LEO mogą być kołowe lub eliptyczne, jednak najczęściej stosowane są te pierwsze. Mogą mieć teŝ róŝne odchylenie od powierzchni równika inklinację od 0 do 90 o ;

8 64 Marian Kopczewski MEO orbity średnie, o wysokości 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 kilka godzin. Budowa systemu globalnego wymaga od 10 do 20 satelitów krąŝących po kilku róŝnych orbitach. Czasy transmisji Ziemia satelita są odpowiednio większe w porównaniu z orbitami LEO. Podobnie jak w ich przypadku, MEO mogą być kołowe i eliptyczne, inklinacja od 0 do 90 o. Satelity MEO i LEO często określane są jednym mianem LEO [13]; HEO (ang. Highly Eliptical Orbit) orbity silnie eliptyczne: perygeum od około 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 duŝym kątem elewacji (kątem między kierunkiem z danego punktu powierzchni Ziemi na satelitę a powierzchnią Ziemi), co sprawia, Ŝe systemy takie dobrze się sprawdzają równieŝ w terenach górskich lub silnie zurbanizowanych. Dla stworzenia systemu regionalnego bazującego na orbitach HEO wystarcza od 2 do 10 satelitów; GEO orbity geostacjonarne, o wysokości km w płaszczyźnie równikowej. Satelita krąŝący 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 nieobejmującego jednak swym zasięgiem obszarów podbiegunowych wystarczają trzy satelity. Z drugiej strony duŝa odległość od powierzchni Ziemi oznacza duŝe opóźnienia w transmisji i konieczność stosowania duŝych mocy sygnałów. Orbita ta jest jednak bardzo popularna i jednocześnie coraz bardziej eksploatowana korzystają z niej m.in. systemy VSAT (ang. Very Small Aperture Terminal). Utrzymanie satelitów na wyznaczonych dla nich orbitach nie jest proste i dlatego ich utrzymanie jest jednym z zadań stacji bazowych. Wśród informacji sygnalizacyjnych wymienianych z kaŝdym satelitą są dane dotyczące toru jego lotu. Na ich podstawie dokonywane są decyzje o ewentualnej korekcji trasy satelity, co jest moŝliwe, jako Ŝe kaŝdy satelita posiada silnik i zapas paliwa. Czas pracy róŝnych satelitów ocenia się zwykle na od 5 do 15 lat. Ich naprawy raczej nie bierze się pod uwagę. 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 leŝącego dokładnie pod satelitą na równiku, a więc najbliŝej satelity na powierzchni Ziemi, trwa: km/ km/s = 120 ms [13]. Odległość Ziemia satelita 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 około 0,5 s, do czego naleŝy jeszcze doliczyć czas przetwarzania sygnału w róŝnych punktach trasy oraz opóźnienie jego przejścia przez sieć naziemną. Z jeszcze większymi czasami transmisji naleŝy się liczyć w systemach z satelitami na orbitach HEO. Przy

9 Stan systemów telekomunikacji satelitarnej 65 apogeum orbity do km, pojedynczy czas przesłania wiadomości satelita Ziemia to okres nawet do 170 ms. Aparatura telekomunikacyjna słuŝy do odbierania, wzmacniania, przetwarzania i emitowania sygnałów radiowych. Składa się ona z przekaźników satelitarnych (ang. repeaters), które moŝna podzielić na: przeźroczyste lub inaczej bierne (ang. transparent, non-regenerative, bent pi-pe"); regeneracyjne, czyli aktywne (ang. on-board processing, regenerative). Przekaźniki bierne tylko odbierają sygnał w kanale uplink, zmieniają jego częstotliwość i retransmitują go z powrotem na powierzchnię Ziemi w kanale downlink. Stosowane są powszechnie, zarówno w transmisji cyfrowej jak i analogowej (w szczególności w systemach telewizji satelitarnej). Przekaźniki regeneracyjne stosowane są wyłącznie w transmisji cyfrowej. Poza retransmisją sygnału, mogą pełnić funkcje regeneratora, koncentratora i komutatora. anten satelitów telekomunikacyjnych są to zazwyczaj układy antenowe złoŝone z szeregu elementów promieniujących o kształtowanej charakterystyce promieniowania, w zaleŝności od rozmiaru obsługiwanego obszaru rozróŝnia się anteny operujące wiązką: globalną (zazwyczaj prosta antena tubowa tuba falowodowa), strefową, punktową Charakterystyka systemów łączności satelitarnej typu LEO i GEO Z punktu widzenia przydatności róŝnych systemów łączności satelitarnej, podstawowe znaczenie ma rodzaj orbity, od czego zaleŝą właściwości eksploatacyjne systemów satelitarnych. W praktyce telekomunikacyjnej występują dwa zasadniczo róŝne typy takich systemów: niskoorbitowe systemy LEO z liczbą, co najmniej kilkudziesięciu ruchomych względem Ziemi satelitów, rozmieszczonych na wielu orbitach kołowych, co pozwala na globalny zasięg działania systemu; wysokoorbitowe geostacjonarne systemy GEO, z kilkoma nieruchomymi satelitami, umieszczonymi na jednej orbicie równikowej, co jednak uniemoŝliwia objęcie zasięgiem działania obszarów podbiegunowych. Wadą systemów niskoorbitowych jest bardzo wysoki koszt ich infrastruktury telekomunikacyjnej, który wynika przede wszystkim z duŝej ilości satelitów. JednakŜe ze względu na nisko zawieszone satelity, systemy te są najlepsze pod względem opóźnienia propagacyjnego sygnału radiowego, co pozwala na realizację usług multimedialnych. Natomiast systemy wysokoorbitowe charakteryzują się odwrotnymi właściwościami, tzn. koszt ich infrastruktury telekomunikacyjnej jest względnie niski, zaś opóźnienie propagacyjne jest na tyle duŝe, Ŝe ogranicza moŝliwość realizacji zaawansowanych usług telekomunikacyjnych.

10 66 Marian Kopczewski Aktualnie dostępne na zasadach komercyjnych są następujące systemy łączności satelitarnej: globalne systemy typu LEO, tzn. Iridium i Globalstar; quasi-globalny system typu GEO, działający pod powszechnie znaną nazwą Inmarsat oraz satelitarny system transmisji danych VSAT; systemy regionalne, równieŝ typu GEO, tzn. Thuraya i ACeS. Systemem zapewniającym w pełni globalne pokrycie jest Iridium. JednakŜe w przypadku tego systemu, występujące uwarunkowania formalno-prawne powodują, Ŝe z terytoriów niektórych państw dostęp do niego jest zablokowany programowo. Natomiast nominalnie globalny system Globalstar nie obejmuje zasięgiem swego działania większości obszarów oceanicznych oraz części kontynentu afrykańskiego i obszarów Dalekiego Wschodu. Wymienione powyŝej systemy oferują transmisję sygnałów mowy oraz danych, przy czym umoŝliwiają one takŝe dostęp do Internetu. Oprócz tego pozwalają one na realizację usług dodanych, znanych z naziemnej telefonii komórkowej, takich jak: przekierowywanie połączeń, poczta głosowa i tzw. prepaid. W praktyce w systemach opartych o satelity typu LEO realizowana prędkość transmisji danych jest niewielka i wynosi od 2 do 7 kbit/s. Porównywalna lub nieco lepsza jest w systemach typu GEO, w których prędkość ta wynosi od 2,4 do 9,6 kbit/s. Wyjątkiem na tym tle są wojskowe systemy łączności satelitarnej oraz podsystem Inmarsat-GAN, przy uŝyciu którego moŝliwa jest transmisja danych z prędkością do 431 kbit/s Opis systemów LEO Iridium i Globalstar System Iridium został zbudowany w oparciu o najnowsze osiągnięcia satelitarnej techniki telekomunikacyjnej, z połowy lat 90. XX wieku. Podstawowym załoŝeniem projektowym tego systemu było nadanie wielofunkcyjnej roli segmentowi satelitarne-mu, czego skutkiem jest jego złoŝona budowa. Przyjęto, Ŝe realizacja połączeń pomię-dzy terminalami uŝytkowników będzie odbywać się bez udziału stacji naziemnej, co wymagało rozbudowanej sieci połączeń międzysatelitowych. KaŜdy satelita, obok złoŝonego układu antenowego wytwarzającego 48 wiązek tzw. punktowych, zaopatrzony jest w 4 radiolinie wraz z ich antenami do realizacji połączeń z sąsiednimi satelitami. W przypadku ruchu przychodzącego lub wychodzącego do innych systemów, połączenie z nimi jest realizowane poprzez stacje naziemne. Przewidując duŝe zapotrzebowanie na taki ruch, docelowo planowano zbudować około 250 stacji naziemnych. W rzeczywistości uruchomiono tylko 16 takich stacji. W systemie tym zastosowano technikę dostępu do kanału radiowego typu FDMA/TDMA, z transmisją dupleksową TDD oraz modulacją QPSK. System satelitarny Irydium daje moŝliwość nawiązania łączności fonicznej z dowolnej lokalizacji na świecie. Wynika to z architektury systemu, opartej na kilkudziesięciu niskoorbitalnych satelitach krąŝących wokół Ziemi. Jest to koncepcja odmienna w stosunku do systemów opartych na satelitach geostacjonarnych, zapewniających niepełne pokrycie obszaru Ziemi (bez obszarów o szerokości geograficznej przekraczającej 70 o ) [13].

11 Stan systemów telekomunikacji satelitarnej 67 System Iridium jednakŝe tylko nominalnie jest systemem o zasięgu globalnym. Od chwili rozpoczęcia działania systemu Iridium dokuczliwym dla uŝytkowników problemem było zapewnienie odpowiednio długiego czasu pozostawiania ich terminali w trybie oczekiwania na połączenie. Na początku ten czas wynosił jedynie 16 godzin, zaś obecnie dochodzi do 38 godzin, co w porównaniu do standardów występujących w telefonii komórkowej nie stanowi szczególnego osiągnięcia. Następnym dokuczliwym problemem jest podatność na zrywanie połączeń, co zdarza się podczas występowania przeszkody na linii łączącej antenę na satelicie z anteną terminala uŝytkownika, który jest ruchomy. Wynika to z faktu zapewnienia bezpośredniej tzw. widoczności tych anten, co podyktowane jest przyjętymi rozwiązaniami systemowymi. Innym zauwaŝalnym problemem jest kłopotliwe logowanie się terminala do systemu, po włączeniu zasilania. Wynika to z częstego w takiej sytuacji braku łączności pomiędzy terminalem a satelitą. System Globalstar jest systemem konkurencyjnym wobec Iridium. System został zaprojektowany w oparciu o zupełnie inne załoŝenia. Przyjęto uproszczone funkcjonalnie rozwiązanie segmentu satelitarnego, przerzucając tym samym większość zadań na stacje naziemne. Głównym zadaniem tego segmentu jest pośredniczenie w procesie łączności pomiędzy stacją naziemną i terminalem uŝytkownika. Nawet wówczas, gdy obaj komunikujący się ze sobą uŝytkownicy znajdują się w obrębie tej samej wiązki punktowej satelity, łączność odbywa się poprzez stację naziemną. Za początek jego działalności naleŝy uwaŝać rok 1999, sam projekt powstał w 1994 roku. Obszar jego funkcjonalności to głównie niskie i umiarkowane szerokości geograficzne na całej powierzchni kuli ziemskiej [13]. Segment kosmiczny składa się 48 satelitów aktywnych i 8 zapasowych Ich orbity mają wysokość 1414 km i inklinację 52. Satelity posiadają 16-wiązkowe anteny: nadawczą i odbiorczą. Retransmitują tylko sygnał od terminali abonenckich do naziemnych stacji bazowych lub odwrotnie. Nie istnieją tutaj Ŝadne łącza międzysatelitarne, nie ma teŝ moŝliwości przetwarzania sygnału w satelicie. Satelita jedynie zmienia częstotliwość sygnału. Taka koncepcja sieci oznacza konieczność istnienia bardziej rozbudowanego segmentu naziemnego, niŝ było to w przypadku systemu Iridium. W skład segmentu naziemnego wchodzi: centrum sterowania segmentem kosmicznym SOCC (ang Satellite Operations Control Center) centrum to nadzoruje ruch satelitów, wykonuje pomiary torów ich lotów i ewentualnie koryguje te trasy; centra sterowania siecią naziemną GOCC (ang. Ground Operations Control Centers) kontrolują działania stacji bazowych, rozplanowują i przydzielają łącza radiowe do satelitów poszczególnym stacjom bazowym; stacje bazowe odbierają i nadają sygnały do terminali abonenckich. Sygnały te dalej przesyłane są przez naziemną sieć szkieletową albo do innych stacji bazowych w przypadku połączeń z drugim terminalem abonenckim, albo do węzłów połączeniowych z innymi sieciami telekomunikacyjnymi; naziemna sieć szkieletowa łączącą wszystkie wyŝej wymienione elementy.

12 68 Marian Kopczewski System Globalstar miał stanowić dopełnienie dla lokalnej sieci komórkowej. Terminale abonenckie były dwusystemowe (np. Globalstar/GSM) i pierwsza próba połączenia następowała przez sieć komórkową. Gdy to było niemoŝliwe zestawiane było łącze przez satelitę. Dla operatora komórkowego, który miał korzystać z sieci Globalstar, stacje bazowe systemu satelitarnego były po prostu dodatkowymi stacjami bazowymi uzupełniającymi jego sieć. W związku z tym usługi w systemie Globalstar były analogiczne do tych oferowanych przez operatorów sieci komórkowych. Gdy firma zaczęła mieć jednak kłopoty finansowe i w 2002 ogłosiła bankructwo, w kwietniu 2003 r. większość udziałów w zreorganizowanym Globalstar sprzedano firmie ICO. W kwietniu 2004 r. sieć satelitów przejęło Thermo Capital Partners LLC. System Globalstar nadal oferuje swoje usługi transmisji sygnału mowy. W systemie Globalstar strumień danych z kodera źródłowego sygnału mowy ma charakter adaptacyjny o zmiennej przepływności od 1,2 do 4,8 kbit/s, zaś w systemie Irydium przepływność ta jest stała i wynosi 2,4 kbit/s. Ponadto, w systemie Irydium często występują opóźnienia systemowe oraz gubienie części lub całości przesyłanych słów. Opóźnienia te wynikają z faktu przenoszenia połączenia pomiędzy satelitami znajdującymi się na dwóch róŝnych orbitach [13] Geostacjonarny satelitarny system transmisji danych VSAT VSAT (ang. Very Small Aperture Terminal) pozwala na oferowanie w miejscach pozbawionych naziemnej infrastruktury telekomunikacyjnej usług porównywalnych z usługami oferowanymi w sieciach naziemnych. Jedną z podstawowych zalet systemu jest moŝliwość podłączenia głównego komputera uŝytkownika (lub ich większej ilości) do Stacji Centralnej VSAT (HUB Station) łączem naziemnym, co znacznie upraszcza system i powoduje jego większą przepustowość dla transmisji danych. Generalnie VSAT'y charakteryzują się tym, Ŝe: anteny terminali abonenckich mają niewielkie rozmiary: od 0,5 do 3 metrów średnicy; przepustowości w systemie zazwyczaj nie przekraczają 2 Mbit/s, a najczęściej jest to kilkadziesiąt kbit/s; często są to systemy zamknięte, ich przeznaczeniem jest przekazywanie specyficznych informacji wewnątrz pewnej firmy, organizacji. Systemy VSAT zaczęły się intensywnie rozwijać w latach 80. XX wieku. Ich nazwa Very Small Aperture Terminals - pochodzi od małych rozmiarów terminali abonenckich. Większość abonentów systemów VSAT to mieszkańcy Ameryki Północnej, głównie USA, choć VSAT'y są coraz chętniej kupowane równieŝ w Europie. Obecnie, liczba terminali VSAT na świecie przekracza 500 tys. Coraz intensywniej zagospodarowywane są wysokie częstotliwości przeznaczone dla tych systemów. Większość systemów VSAT funkcjonuje w konfiguracji gwiazdy (ang. star ). Oznacza to, Ŝe wszystkie dane od terminali abonenckich przesyłane są przez satelity do stacji nadzorczych (bazowych) określanych w tych systemach mianem hub. Dopiero w hubie zestawiane jest połączenie i dane są transmitowane dalej do punktu docelowego na Ziemi lub przez kolejnego satelitę do innego terminala. Hub pełni teŝ role nadzorcze i kontrolne w systemie oraz taryfikuje połączenia (rysunek 3). Huby posiadają anteny o duŝych rozmiarach, niekiedy od 5 do 11 metrów średnicy.

13 Stan systemów telekomunikacji satelitarnej 69 Rys. 3. Schemat funkcjonowania systemu VSAT [18] Inną konfiguracją jest mesh (polskie krata, oczko). W takim zestawieniu terminale komunikują się bezpośrednio przez satelitę, połączenia nie przechodzą przez huba. Z tego powodu konfiguracja ta określana jest często mianem hubless VSAT Network sieć VSAT bez stacji hub. Stacja nadzorcza moŝe uczestniczyć w inicjalizacji połączenia, choć i to nie jest konieczne, a poza tym pełni funkcje kontrolne i ewentualnie taryfikacyjne. Połączenie terminali moŝe przechodzić teŝ przez łącze międzysatelitarne (ISL). Typowy terminal VSAT składa się z trzech części: jednostki zewnętrznej, wewnętrznej i anteny. Jednostka wewnętrzna przyłączona jest do urządzeń uŝytkownika (np. komputer PC) i zapewnia mu interfejs sieciowy, dzięki czemu do sieci VSAT moŝna podłączyć terminale pracujące na róŝnych protokołach. Najczęściej są to protokoły: BiSync, SDLC, X.25, Frame Relay. Poprzez częstotliwości pośrednie (ang. Intermediate Frequences ) jednostka wewnętrzna komunikuje się z jednostką zewnętrzną. Dalej sygnał przetwarzany jest na częstotliwości radiowe i poprzez antenę transmitowany do satelity. Człon kosmiczny systemów VSAT to satelity geostacjonarne. KaŜdy system to, co najmniej kilka aktywnych satelitów i jeden zapasowy - na wypadek awarii jednego z działających. Transmisja danych w tych systemach odbywa się w pasmach częstotliwości C, Ku lub Ka (Pasmo C zakres częstotliwość w przedziale 4-8 GHz, Ku GHz, Ka GHz [8]). Aby moŝliwe było transmitowanie wielu sygnałów (informacji od wielu uŝytkowników) jednocześnie z satelity lub huba stosuje się techniki zwielokrotnienia dostępu ( multiple Access ). Jest to zwielokrotnienie w dziedzinie: czasu TDMA (ang. Time Division Multiple Access dostęp wielokrotny z podziałem czasu); częstotliwości FDMA (ang. Frequency Division Multiple Access wielodostęp oparty na podziale częstotliwości);

14 70 Marian Kopczewski techniki z widmem rozproszonym CDMA (ang. Code Division Multiple Ac-cess dostęp wielokrotny z kodowym rozdziałem sygnałów). Wybór danej techniki zaleŝy od ilości uŝytkowników systemu, świadczonych im usług oraz mocy i pasma dostępnego satelitom. Najczęściej stosuje się techniki TDMA. Jednocześnie, gdy zastosuje się juŝ zwielokrotnienie dostępu konieczny jest wybór metody przydzielania kanału pojedynczemu uŝytkownikowi. MoŜliwy jest: stały przydział kanału (ang. Fixed Assignment Multiple Access); losowy przydział kanału (ang. Random Assignment Multiple Access); uŝytkownicy jednocześnie korzystają ze wspólnego medium, w przypadku kolizji dostępu konieczne są retransmisje; przydział kanału na Ŝądanie (ang. Demand Assignment Multiple Access). Ze względu na rodzaj świadczonych usług systemy VSAT moŝna dzielić na: systemy rozgłoszeniowe (ang. broadcasting, data distribution) informacja jest transmitowana tylko od stacji bazowej do terminali abonenckich i nie ma moŝliwości transmisji w kierunku przeciwnym; systemy gromadzące informacje (ang. data gathering systems) - równieŝ transmisja tylko w jednym kierunku terminale abonenckie wysyłają informacje do stacji nadzorczej np. wysyłanie informacji o dokonanych transakcjach lub przesyłanie zleceń ich wykonania; systemy dialogowe interaktywne (ang. two-way systems) informacje wymieniane są w dwóch kierunkach i jest to rozwiązanie zdecydowanie najczęściej stosowane [13]. Satelitów, które mogą świadczyć usługi VSAT jest duŝo. Z bardziej znanych, przynajmniej w Europie, moŝna wymienić serie Eutelsat, Intelsat, Astra czy Telecom. Systemy tego typu są odporne na warunki atmosferyczne, zapewniają dobrą jakość pod warunkiem profesjonalnej instalacji anten terminali na jednego satelitę). Transponder posiada pasmo 72 MHz, które moŝe być wykorzystane przez wielu uŝytkowników. Na przykład dla transmisji 512 kbit/s w obie strony zajętych jest około 1 MHz pasma. Satelity operatorów międzynarodowych Intelsat i Eutelsat lub krajowych (np. DFS Kopernikus w Niemczech, satelity w systemach krajowych Japonii i USA) sprzedają część pasm lub cały transponder firmom świadczącym usługi satelitarne. Firmy te sprzedają uŝytkownikom końcowym i opóźnienie danych ms System łączności satelitarnej SKYNET Siły morskie Wielkiej Brytanii stosują system łączności satelitarnej SKYNET. Pierwszy satelita systemu SKYNET został wyniesiony na orbitę geostacjonarną w 1969 roku. System, na przestrzeni lat, podlegał kolejnym fazom rozwoju. Obecnie wykorzystywane satelity systemu SKYNET IV wykorzystuje cztery kanały pasma X w zakresie 60 do 135 MHz kaŝdy oraz dwa kanały UHF kompatybilne z systemem amerykańskim FLTSATCOM (ang. Fleet Satellite Communications System) i jeden eksperymentalny kanał EHF pracujący na częstotliwości 44 GHz.

15 Stan systemów telekomunikacji satelitarnej 71 W 1998 r. Wielka Brytania rozpoczęła budowę narodowego systemu satelitarnego SKYNET V. System SKYNET V jest systemem telekomunikacyjnym słuŝącym do współpracy z innymi systemami satelitarnymi wykorzystującym pasma SHF i UHF. Satelity SKYNET V zastąpią serię satelitów SKYNET IV, z których ostatni SKYNET IVF został wyniesiony na orbitę w lutym 2001 roku. Pierwsze zakontraktowane satelity SKYNET VA i VB powinny zostać umieszczone na orbicie odpowiednio w latach 2006 i KaŜdy z satelitów SKYNET V będzie miał masę startową około 5 ton, w porównaniu do 1,6 tony satelity SKYNET IVFi będzie posiadał moc sumaryczną 5kW, która jest 4 razy większa niŝ moc SKYNET IV [13] System łączności satelitarnej SICLAR Włochy w 2001 r. umieściły na orbicie własnego satelitę wojskowego i uruchomiły wojskowy system satelitarny SICRAL-1. SICLAR jest systemem telekomunikacyjnym wykorzystującym pasma: SHF, UHF i EHF, monitorującym przede wszystkim obszar śródziemnomorski. Jest planowany do eksploatacji do 2011 roku. System SICLAR jest kompatybilny z systemem satelitarnym USA oraz innymi systemami europejskimi takimi jak: SKYNET oraz SYRACUSE. W skład systemu SICLAR wchodzi Naziemne Centrum Sterowania oraz 107 stałych i ruchomych terminali (włączając w to kilkanaście terminali zamontowanych na samolotach myśliwskich) Ogólne działanie systemu INMARSAT Systemy satelitarne są najbardziej efektywnymi systemami pod względem transmisji danych i usług fonicznych (zarówno analogowych jak i cyfrowych). Systemy satelitarne moŝna podzielić na wiele grup. Jednym z przyjętych kryteriów to systemy komercyjne np. INMARSAT i systemy rządowe do wykorzystania np. w aplikacjach wojskowych. W środowisku morskim najbardziej popularnym systemem łączności satelitarnej jest INMARSAT. Popularność tego systemu nie tylko spowodowana jest wymaganiami bezpieczeństwa, ale równieŝ elastycznością wykorzystania. Obecnie dostępne są na rynku terminale umoŝliwiające transmisję głosu (analogową i cyfrową), faksu i transmisji danych do 128 kb/s. Segment kosmiczny systemu INMARSAT składa się z geostacjonarnych satelitów umieszczonych nad równikiem. Konstelacja satelitów INMARSAT jest tak ugrupowana, Ŝe tworzy 4 rejony pokrycia globu (rys. 4): Atlantic Ocean Region West, Atlantic Ocean Region East, Indian Ocean Region i Pacific Ocean Region. Stacje naziemne Land Earth Stations (LES) są rozmieszczone w róŝnych miejscach świata i tworzą punkty dostępowe do rozległej infrastruktury telekomunikacyjnej. Najbardziej rozpowszechnione z uwagi na szerokie moŝliwości są w obecnej chwili terminale INMARSAT B. Popularność zawdzięczają dzięki pełnemu ucyfrowieniu oraz usługi szybkiej transmisji danych HSD (ang. High Speed Data) 56 kb/s lub 64 kb/s w zaleŝności od systemu ISDN. Podobna konfiguracja moŝe być wykorzystana równieŝ do instalacji innych typów terminali. Pomimo efektywnego łącza ISDN (ang. Integrated Services Digital Network cyfrowy system telekomunikacyjny z integracją usług) 56/64 kb/s, moŝliwe jest równieŝ wykorzystanie usługi wolnej transmisji danych LSD (ang. Low Speed Data) o prędkości 9,6 kb/s.

16 72 Marian Kopczewski Istnieje jednak kilka czynników i zjawisk, które ograniczają moŝliwość wykorzystania systemu satelitarnego o globalnym pokryciu. Do czynników tych moŝemy zaliczyć: efekt cienia zjawisko to występuje na okrętach, gdzie ze względu na konstrukcję, antena jest zainstalowana w miejscu, które moŝe być zasłonięte elementami kadłuba, w zaleŝności od kursu okrętu. Przywrócenie łączności z satelitą, czyli zapewnienie bezpośredniej widoczności anteny z satelitą, wymusza wykonanie niekiedy niemoŝliwej, zmiany kursu okrętu. Gdy moŝliwości konstrukcyjne okrętu pozwalają na pewne modernizacje, w celu wyeliminowania efektu cienia, instaluje się dwie anteny satelitarne podłączone do jednego terminala; kontrola emisji (EMCON ang. Emision Control) podczas wykonywania zadań bojowych, ogłoszenie ciszy radiowej wymusza wyłącznie wszystkich urządzeń nadawczych na okręcie, co będzie powodować utratę łączności satelitarnej; koszt wysokie koszty za korzystanie z serwisów transmisji danych ograniczają swobodę korzystania z usług. Ceny są uzaleŝnione od operatora, z którym odbiorca usług podpisuje umowę. PrzybliŜone koszty to 3 $ za minutę połączenia w trybie LSD i 14 $ w trybie HSD [14]. W przypadku wykorzystywania terminala satelitarnego do usług sieciowych, czyli innych niŝ standardowa telefonia i transfer plików punk - punkt, naleŝy pamiętać o ustawieniach terminala. W środowisku MTWAN (ang. Maritime Tactical Wide Area Network taktyczna rozległa sieć komputerowa sił morskich) istotną role odgrywa standard routingu, jakim jest protokół OSPF. (ang. Open Shortest Path First routing wewnętrzny w sieci) i protokół transmisji grupowej PIM (ang. Protocol Independent Multicat). OSPF został zaprojektowany w celu zwiększenia efektywności przesyłania danych w sieciach pracujących z protokołem IP (ang. Internet Protocol). Obecnie terminale satelitarne INMARSAT B wypierane są przez terminale nowszej generacji FLEET 77. UmoŜliwiają one transfer danych z szybkością 128 kb/s oraz usługę transmisji pakietowej (MPDS Mobile Packet Data System). Przy wybraniu tej opcji korzystania z dostępu do sieci, uŝytkownik nie płaci za czas połączenia, a jedynie za ilość pakietów danych wysłanych bądź odebranych. Jest to bardzo korzystna opcja, gdyŝ uŝytkownik, moŝe być podłączony do MTWAN 24 godziny na dobę, a koszt określony będzie wygenerowanym ruchem. Obecnie INMARSAT jest międzynarodową firmą świadczącą usługi satelitarnej transmisji głosu i danych. Terminale INMARSAT instalowane są głównie na statkach/okrętach, ale równieŝ w samolotach, samochodach, mogą słuŝyć teŝ jako terminale przenośne. Obecnie ocenia się, Ŝe system wykorzystuje około 300 tys. uŝytkowników. System składa się z trzech zasadniczych segmentów, tj. segmentu lądowego, kosmicznego i morskiego. Łączność w tym systemie jest oparta na wysyłaniu sygnałów ze statku do satelity pełniącego funkcję stacji retransmitującej, który następnie przesyła te sygnały do stacji brzegowych. Przesyłanie sygnałów ze stacji brzegowej do statku następuje równieŝ za pośrednictwem satelity. Naziemne stacje brzegowe systemu INMARSAT są połączone z sieciami łączności w państwach, w których są zbudowane i pełnią rolę interfejsów pomiędzy krajowymi systemami łączności oraz satelitarnym systemem radiokomunikacji morskiej.

17 Stan systemów telekomunikacji satelitarnej 73 Satelita geostacjonarny Telefon FAX Statkowy terminal satelitarny SES Naziemna stacja brzegowa Rys. 4. Schemat struktury łącza satelitarnej radiokomunikacji morskiej INMARSAT [7] Łączność ze stacji brzegowej do statku realizowana jest dwukierunkowo, a mianowicie: kierunek stacja brzegowa-satelita, w paśmie 6 GHz i kierunek z satelity do statku w paśmie 1,5 GHz. Łączność ze statku do stacji brzegowej realizowana jest w kierunku statek-satelita, w paśmie 1,6 GHz i satelita-stacja brzegowa w paśmie 4 GHz. Do komunikacji między satelitą a stacjami statkowymi zgodnie z ustaleniami Światowych Konferencji Radiokomunikacyjnych przydzielono następujące zakresy częstotliwości w paśmie L: do nadawania (statek-satelita) 1631,5-1638,0 MHz; do odbioru (satelitastatek) 1530,0-1537,5 MHz. Do komunikacji między stacjami nadbrzeŝnymi a satelitą wykorzystywane są częstotliwości z pasma C: w kierunku do satelity MHz; od satelity do stacji naziemnych MHz. Segment lądowy Segment lądowy składa się ze stacji o trzech róŝnych przeznaczeniach. Są nimi: Centrum Zarządzania i Kontroli Systemu, naziemne stacje brzegowe i stacje koordynujące pracę w regionach. Cała kula ziemska podzielona została na cztery obszary, tzw. sieci satelitarne, z których kaŝdy obejmuje przydzielony mu obszar oceanu. Ośrodek kontroli operacyjnej systemu OCC oddziałuje swym zasięgiem na funkcjonowanie systemu jako całości, natomiast poszczególne sieci satelitarne pełnią jedynie wybrane funkcje. Określone bloki wykonują powierzone im zadania. Stacja koordynująca pracę sieci NCS (ang. Network Coordination Station) dokonuje przydziału pojemności segmentu kosmicznego dla poszczególnych uŝytkowników oraz w sposób ciągły nadzoruje pracę całej sieci, w celu zapewnienia sprawnej wymiany informacji. Oznacza to, Ŝe koordynuje pracę wszystkich stacji naziemnych w danym obszarze (sieci) i stacji SCC (ang. Satelite Control Center).System kontrolny zapewnia nadzór nad prawidłową emisją segmentu kosmicznego, naziemnych stacji nadbrzeŝnych i terminali statkowych, natomiast ośrodek kontroli operacyjnej OCC prowadzi nadzór nad pracą całego systemu INMARSAT koordynując pracę stacji NCS, SCC oraz naziemnych

18 74 Marian Kopczewski stacji nadbrzeŝnych CES (ang. Coast Earth Station). Zadaniem stacji na-ziemnej jest odbiór i wzmocnienie sygnałów wysyłanych przez nadajnik pokładowy satelity i następnie przekazywanie ich do sieci telekomunikacyjnej danego państwa oraz wykonywanie takich samych funkcji w przeciwnym kierunku, tj. z naziemnej sieci telekomunikacyjnej do odbiornika satelity [13]. Segment kosmiczny INMARSAT posiada 9 satelitów geostacjonarnych (generacje I-2 i I-3) oraz jeden generacji I-4, który charakteryzuje się znacznie powiększonym zasięgiem. Rys. 5. Obszar funkcjonowania systemu INMARSAT po umieszczeniu na orbicie satelity I 4 [13] Satelity te wykorzystują pasma częstotliwości L oraz C i są umieszczone na geostacjonarnych orbitach odległych od powierzchni Ziemi o około km, przy czym grupy tych satelitów (jeden pracujący i zapasowe) są umieszczone tak, aby obejmowały swym zasięgiem obszary oceanów. Satelity te znajdują się na długościach geograficznych: nad Oceanem Atlantyckim W; nad Oceanem Indyjskim W; nad Oceanem Spokojnym W. Satelity te pozwalają uzyskać zasięg światowy do szerokości geograficznej 70 zarówno na półkuli północnej jak i południowej przekłada się to na 4 regiony działania: Ocean Atlantycki Wschód; Ocean Atlantycki Zachód; Ocean Indyjski; Ocean Spokojny. KaŜdemu obszarowi oceanicznemu przydzielono indywidualny kierunkowy numer telefoniczny i teleksowy, którym naleŝy się posługiwać podczas nawiązywania łączności z okrętowymi stacjami znajdującymi się na tych obszarach. W skład segmentu kosmicznego wchodzą równieŝ naziemne stacje kontrolujące, zwane stacjami Teleme-

19 Stan systemów telekomunikacji satelitarnej 75 trii Śledzenia i Sterowania. Ich główne zadanie polega na utrzymywaniu satelitów na swoich pozycjach. Segment okrętowy. Ze względu na róŝne wymagania, co do moŝliwości i zakresów serwisów łączności, na okrętach i statkach stosowane są mniej lub bardziej rozbudowane Okrętowe Stacje Naziemne (SES ang. Ship Earth Stations). Najstarszy system, INMARSAT A, został wprowadzony w 1982 roku. Był to jeszcze system analogowy, przez co dość podatny na zakłócenia atmosferyczne. Zapewniał podstawowe usługi, tj. łączność radiotelefoniczną, dalekopisową (telex), faks oraz transmisję danych. Stacje te zostały opracowane na początku lat 70. ubiegłego wieku. Ich przeznaczeniem były statki o pojemności większej niŝ 10 tysięcy. Następnie wprowadzono standard B, który zastąpił standard A. Standard C z bezkierunkową anteną stacji statkowej został wprowadzony do eksploatacji z myślą o maksymalnym uproszczeniu i zmniejszeniu gabarytów stacji okrętowej tak, aby mogła być zainstalowana nawet na najmniejszych jednostkach. W ten sposób ograniczono moŝliwość łączności tylko do wolnej transmisji tekstu (nie ma łączności telefonicznej).systemy INMARSAT nie naleŝą do kategorii VSAT, ich zastosowania są inne, a terminale abonenckie mogą być przenośne. Wszystkie następne systemy INMARSAT były juŝ cyfrowe. Obecnie konsorcjum oferuje kilka rozwiązań: INMARSAT A, INMARSAT B, INMARSAT C, INMARSAT Mini-M, INMARSAT Fleet, INMARSAT GAN, INMARSAT BGAN. Dynamiczny rozwój technik satelitarnych sprawił to, Ŝe usługi oferowane przez te systemy stały się bardziej dostępne, a w związku z rozwojem mikroelektroniki moŝliwe stało się takŝe zminiaturyzowanie urządzeń nadawczo odbiorczych, a co za tym idzie zastosowanie ich największą skalę. 2. Tendencje rozwoju systemów łączności satelitarnej i oferowanych usług Jednym z istotnych czynników rozwoju łączności satelitarnej w ciągu kilkunastu najbliŝszych lat będzie wzrost zapotrzebowania na usługi szerokopasmowe, przy czym zakłada się, Ŝe zwiększony popyt widoczny będzie głównie po stronie uŝytkowników instytucjonalnych. Satelitarne systemy szerokopasmowe słuŝyć będą jako uzupełnienie systemów naziemnych (światłowodowych i radiowych) pozwalając na zapewnienie usług łącznościowych uŝytkownikom nie posiadającym dostępu do sieci naziemnych. Obserwowana od kilku lat tendencja do zapewnienia uŝytkownikom systemów łączności pełnej mobilności będzie utrzymana i pogłębiona w ten sposób, aby uŝytkownik mógł korzystać z systemu niezaleŝnie od swojej lokalizacji i niezaleŝnie od istniejącej infrastruktury naziemnej. Na najbliŝsze lata prognozowany jest wzrost popytu na tańsze, mniejsze i lŝejsze urządzenia odbiorczo-nadawcze, charakteryzujące się zwiększoną niezawodnością i coraz lepszymi parametrami technicznymi. Tego typu zapotrzebowanie obserwowane jest we wszystkich segmentach rynku usług i technik satelitarnych, wzmagając potrzebę innowacyjności i wprowadzania nowych rozwiązań [11].

20 76 Marian Kopczewski W dalszej perspektywie moŝna przewidywać powstanie systemów łączności z wykorzystaniem satelitów umieszczonych na orbitach MEO (charakteryzują się one obniŝonymi kosztami w porównaniu do systemów LEO oraz wydłuŝonym czasem Ŝycia około lat). W celu zwiększenia pojemności systemów satelitarnych od dłuŝszego czasu stosuje się juŝ zwielokrotnianie przestrzenne i polaryzacyjne sygnałów nadawanych w tych samych pasmach częstotliwości, a w ostatnich latach zaczęto stosować anteny wielowiązkowe z dynamicznie sterowanymi charakterystykami promieniowania oraz realizować transmisje w paśmie Ka (20/30 GHz). Zostanie utrzymana tendencja wzrostu znaczenia pasma Ka, podobnie jak wywołany nią wzrost liczby transponderów satelitarnych pracujących w tym paśmie [11] Radiodyfuzja satelitarna Systemy satelitarne są idealnym rozwiązaniem dla transmisji rozsiewczych, w których ten sam sygnał dostarczany jest jednocześnie do wielu odbiorców (nie wymagając transmisji w kierunku przeciwnym) np. programów telewizyjnych i radiowych. Od początku lat 80. istnieje moŝliwość odbioru programów z satelity przez uŝytkowników indywidualnych, wyposaŝonych w zestawy odbiorcze z antenami o średnicach 1,2 1,8 m. Zastosowanie kodowania sygnału telewizyjnego MPEG2 pozwoliło na transmisję przez transponder satelity kilku programów cyfrowych (standard DVB-S, wprowadzony w 1995), zamiast pojedynczego programu z modulacją analogową, co doprowadziło do znacznego wzrostu liczby programów oferowanych odbiorcom. Obecnie nadawanych jest kilkanaście tysięcy programów telewizji cyfrowej, stanowiących ponad 60% wszystkich sygnałów transmitowanych przez satelity. Według wszelkich dostępnych prognoz transmisje radiodyfuzyjne programów radiowych i telewizyjnych pozostaną najlepiej rozwijającą się gałęzią usług satelitarnych w nadchodzących latach. Walka o klienta prowadzona przez europejskich nadawców telewizyjnych wymusza uruchamianie kolejnych programów tematycznych. Impulsem technologicznym jest rozpoczęcie na szeroką skalę komercyjnych emisji programów w technologii HDTV (High Definition TV), która zaoferuje w przyszłości klientowi końcowemu niespotykaną dotychczas, jakość odbioru. Większa ilość przesyłanych danych wymaga większej pojemności satelitów radiodyfuzyjnych. Obecnie najpopularniejsze pozycje satelitarne nie mają juŝ rezerw pojemności. Wymusi to stopniowe wprowadzenie nowego standardu transmisji satelitarnej DVB-S2. (Digital Video Broadcasting Satellite Second Generation) jest drugą generacją standardu transmisji satelitarnej i rozwinięciem poprzedniego standardu DVBS. Nowy standard DVB-S2 umoŝliwi zwiększenie o około 30 procent całkowitej przepływności transpondera satelitarnego i tym samym obniŝenie kosztów nadawania pojedynczych programów. Zastosowanie standardu DVB-S2 w połączeniu z nowoczesnym kodowaniem obrazu MPEG-4/AVC umoŝliwia emisję w pojedynczym transponderze podobnej liczby programów HDTV, co nadawanych obecnie programów w standardowej rozdzielczości SDTV. Zastosowanie nowych standardów DVBS2/MPEG-4/VC-1/HDTV wiąŝe się z koniecznością wymiany sprzętu odbiorczego znajdującego się w dyspozycji uŝytkowników indywidualnych. Wymianę odbiorników rozpoczęły juŝ płatne platformy cyfrowe. Przykładem jest tu nowa platforma n grupy ITI, która wchodząc na rynek oferuje