RADIOWE SYSTEMY SZEROKOPASMOWEGO DOSTĘPU. Daniel J. Bem, Tadeusz W. Więckowski, Ryszard J. Zieliński

RADIOWE SYSTEMY SZEROKOPASMOWEGO DOSTĘPU Daniel J. Bem, Tadeusz W. Więckowski, Ryszard J. Zieliński WSTĘP Bardzo szybki rozwój systemów telekomunikacyjnych w ostatnich latach jest wywołany głównie dwoma czynnikami: bardzo szybkim rozwojem Internetu zapewniającym, poprzez swoją sieć, dostęp do różnorodnych informacji oraz realizację szeregu usług transmisyjnych, z których najbardziej popularne to poczta elektroniczna, transfer plików FTP, a ostatnio usługi związane z obsługą grup dyskusyjnych i usługi strumieniowe, oraz jeszcze bardziej gwałtowny rozwój telefonii komórkowej. Personalizacja terminala ruchomego spowodowała, że liczba użytkowników telefonii komórkowej przekracza liczbę użytkowników Internetu. Rozwój Internetu i telefonii komórkowej wpłynął na wielokrotne zwiększenie pojemności sieci szkieletowych, które są niezbędne do przenoszenia tak dużego ruchu. Stało się to możliwe poprzez zastosowanie nowoczesnych technik zwielokrotnienia falowego w sieciach światłowodowych. Dalszy szybki rozwój telekomunikacji jest silnie uzależniony od rozwoju sieci dostępowych w kierunku świadczenia tzw. usług szerokopasmowych. Sieci dostępowe stanowią w systemie telekomunikacyjnym ogniwo, do którego bezpośredni dostęp mają użytkownicy. Od możliwości technicznych sieci dostępowej zależy, jakie usługi można udostępnić abonentowi i z jaką jakością je świadczyć. Ponieważ operatorom zależy na obsłudze jak największej liczby abonentów, oczywistym jest konieczność utrzymania kosztów sieci dostępowej przypadających na jednego abonenta na jak najniższym poziomie. Dotychczas bardzo trudno było pogodzić niskie koszty sieci dostępowej z chęcią świadczenia szerokiego wachlarza usług obejmującego również usługi szerokopasmowe. Wraz z rozwojem technologii sprzeczne wymagania niskich kosztów i szerokiego upowszechnienia usług szerokopasmowych poprzez sieci dostępowe nabierają realnych kształtów. Poprzez obniżenie ceny łącza ADSL udało się dominującemu operatorowi niemieckiemu Deutsche Telekom doprowadzić do bardzo szybkiego udostępnienia usług szerokopasmowych bardzo dużej grupie nowych użytkowniów. Łącze ADSL jest łączem asymetrycznym. Umożliwia przesyłanie w kierunku użytkownika dużo większego strumienia danych niż w kierunku od użytkownika. Takie właściwości wynikają z analiz zapotrzebowania na nowoczesne usługi, które charakteryzują się również asymetrycznym zapotrzebowaniem na pasmo transmisyjne. Doskonale w ten typ zapotrzebowania na usługi transmisyjne wpisują się systemy radiokomunikacyjne typu punkt - wiele punktów PMP (Point to MultiPoint). W systemach tych stacja bazowa pełni rolę węzła dostępowego, który w naturalny sposób może nadawać w kierunku terminali duże strumienie danych, a odbierać od każdego terminala znacznie mniejszą ilość danych. Tego typu systemy ze względu na występujące asymetryczne łącza nazywa się systemami do lokalnej szerokopasmowej dystrybucji danych LMDS (Local Multipoint Distribution System). Podstawową cechę obsługi wielu terminali z jednej stacji bazowej mają również systemy satelitarne. Rolę stacji bazowej pełni w tych systemach satelita. Istnieje szereg różnych koncepcji świadczenia usług szerokopasmowych poprzez satelity. Niektóre z nich zostały w ostatnich latach zrealizowane, inne czekają na realizację w najbliższej przyszłości. Operatorzy satelitarni upatrują w możliwości świadczenia usług szerokopasmowych o asymetrycznym zapotrzebowaniu na transmisję swoją przyszłość. Ze względu na właściwości systemów satelitarnych, w naturalny sposób mogą oni również myśleć o obsłudze terminali stacjonarnych, przewoźnych i ruchomych. Dotychczasowe doświadczenia z przekazem sygnałów telewizyjnych do indywidualnych abonentów pokazują, że nawet w bardzo

uprzemysłowionych krajach o bardzo dobrze rozwiniętej naziemnej infrastrukturze sieci telewizji kablowej liczba indywidualnych odbiorników satelitarnych jest bardzo duża i sięga od kilkunastu do kilkudziesięciu procent gospodarstw domowych. Wprowadzenie transmisji cyfrowych, umożliwiających obniżenie kosztów dzierżawy łącza satelitarnego przez równoczesną transmisję kilku programów w paśmie zajmowanym dotychczas przez jeden kanał analogowy wraz z podniesieniem jakości uzyskiwanego obrazu i dźwięku, zwiększeniem liczby oferowanych programów i możliwością świadczenia dodatkowych usług może jedynie wpłynąć na dalszy rozwój tego typu sieci dostępowych i zwiększenie ich udziału w określonych segmentach rynku telekomunikacyjnego. SYSTEMY SZEROKOPASMOWE A USŁUGI MULTIMEDIALNE Systemy multimedialne to systemy umożliwiające integrację danych, tekstu, wszelkiego typu obrazów i dzwięku w środowisku informatycznym. Taki sposób widzenia systemów multimedialnych implikuje wymagania w stosunku do technik służących do wytwarzania, przesyłania, przetwarzania i prezentacji. O ile tworzenie usług multimedialnych może odbywać się w wyspecjalizowanych systemach, to ich dostarczenie do odbiorcy musi zapewnić zintegrowana sieć, której jednym z ważniejszych elementów jest system dostępowy oraz wielofunkcyjne terminale. Różne rodzaje usług nakładają różne wymagania w odniesieniu do zdolności transmisyjnych sieci dostępowej oraz mocy przetwarzania sygnałów. Najbardziej wymagające są usługi związane z przesyłaniem obrazów. Ich integracja w systemie jest związana z przesyłaniem, przechowywaniem, przetwarzaniem i wyświetlaniem na ekranie wielkiej liczby danych w postaci obrazu. Cyfrowa reprezentacja obrazu to często ogromne zbiory informacji, podczas gdy jeden bajt reprezentuje całą literę. Jeśli ponadto obraz zmienia się w czasie, to ogromna ilość danych musi być składowana, przekazywana i przetwarzana, by spełnić wymagania związane z dostarczaniem ruchomych obrazów. Kanał rozsiewczy (DVB TS) Dostawca usług rozsiewczych Dostawca usług interaktywnych Kanał interaktywny Adapter sieciowy dla transmisji rozsiewczej Adapter sieciowy kanału interaktywnego kanały Interaktywne kanały Interaktywne Medium transmisyjne dla usług rozsiewczych Sieć Kanały interaktywne Kanał rozsiewczy Terminal użytkownika (STB) Moduł interfejsu dla usług rozsiewczych Moduł interfejsu interaktywnego Moduł terminalowy Jednostka interfejsu sieciowego Użytkownik Sieć niezależna Sieć zależna Sieć niezależna Rys. 1. Architektura lokalnego systemu do dystrybucji usług multimedialnych (LMDS) Realizacja usług multimedialnych nakłada szereg wymagań technicznych na systemy. Po pierwsze systemy muszą dysponować ogromnymi pamięciami typowo rzędu setek megabajtów. Po drugie wymagają specjalizowanych i o dużej mocy obliczeniowej procesorów

do przetwarzania i wizualizacji danych. Po trzecie muszą mieć odpowiednią architekturę, by oprócz danych i tekstu mogły dostarczać obrazu i dźwięku w wymaganym przez daną aplikację standardzie. Po czwarte tak bogate otoczenie informatyczne nie będzie dużo warte, jeśli użytkownik nie będzie w stanie w łatwy sposób poruszać się w nim, wyszukiwać informacje oraz mieć do nich dostęp oraz uruchamiać wybrane aplikacje realizujące wybrane usługi. Ponadto system multimedialny powinien zapewnić pełny dostęp do usług wielu odbiorcom jednocześnie. Narzuca to ogromne wymagania dla każdego z elementów systemu a w szczególności na stosowane sieci transmisyjne i dostępowe. Jeśli sieci te są sieciami radiowymi, to dodatkowo występują ograniczenia związane z szerokością dostępnego pasma oraz wpływem zjawisk propagacyjnych na jakość transmisji. Transmisje multimedialne to połączenie transmisji obrazu, dźwięku i danych w dowolnych kombinacjach w celu realizacji takich usług jak telekonferencje, wideokonferencje, telefonia, systemy rozsiewcze foniczne i wizyjne. Cechą oczekiwaną współczesnych sieci transportowych i dostępowych jest możliwość dynamicznego udostępnienia łącza o ustalonych parametrach na potrzeby transmisji multimedialnych. Do udostępniania usług multimedialnych stosowane są coraz częściej systemy radiowe LMDS i systemy satelitarne. Są one dostosowane do udostępniania usług multimedialnych poprzez tworzenie pomiędzy dostawcą usług i użytkownikiem niesymetrycznego kanału transmisyjnego. Systemy LMDS stanowią podklasę szerszej klasy systemów PMP, wyróżniającą się asymetrią łącza. Analizując historycznie rozwój systemów PMP i standardów związanych z tymi systemami można stwierdzić, że w początkowym okresie były one dostosowane pod względem właściwości transmisyjnych do świadczenia tzw. wąskopasmowych usług (do 2 Mb/s), wykorzystując z reguły kanały symetryczne z gradacją szybkości transmisji równą 64 kb/s. Stosowano je w celu zastąpienia zespołu linii radiowych PP (Point-to-Point). W chwili obecnej systemy LMDS zapewniają transmisję danych multimedialnych. Ze względu na zapotrzebowanie częstotliwościowe tego typu transmisji muszą być one systemami szerokopasmowymi. Podobną drogę przeszły systemy satelitarne, które w początkowym okresie rozwoju służyły do tworzenia długodystansowych linii radiowych typu PP do przenoszenia ruchu telefonicznego, w tym międzykontynentalnego. NAZIEMNE SYSTEMY SZEROKOPASMOWEGO DOSTĘPU Podstawową architekturę interaktywnego systemu LMDS przedstawiono na rys. 1. a nazwy poszczególnych interfejsów na rys. 2 [1, 2]. Interfejs adaptera sieciowego INA A1 A3 A4 Transmisja radiowa P.CZ./ W.CZ. Część zewnętrzna ODU Część domowa terminala STB B1 B2 B4 Dostawca usług Użytkownik Rys. 2. Interfejsy w systemie LMDS: A1, A4, B1, B4 - interfejsy p.cz., B2, A3 - interfejsy w.cz. (STB Set Top Box, INA Interface Network Adapter, ODU Out Door Unit)

W zależności od usług udostępnianych abonentom systemy LMDS mogą mieć różne struktury. Systemy LMDS z asymetrycznym wąskopasmowym kanałem zwrotnym dostosowane do świadczenia usług rozsiewczych składają się z następujących warstw: warstwy fizycznej, w której określono wszystkie parametry transmisyjne, warstwy transportowej, w której określono odpowiednie struktury danych i protokoły komunikacyjne, np. kontener danych, itp., warstwy aplikacji stanowiącej interaktywne oprogramowanie. W modelu systemu LMDS wyróżnia się warstwy zależne i niezależne od sieci. W systemach LMDS stosujących do transmisji platformę DVB wyróżnia się dwa kanały pomiędzy dostawcą usług a użytkownikiem: kanał rozsiewczy BC (Broadcast Channel) - jednokierunkowy szerokopasmowy kanał rozsiewczy przenoszący sygnały wizyjne, foniczne i transmisji danych. Kanał ten jest tworzony dla użytkownika przez dostawcę usług. Może on zawierać łącze zapewniające przenoszenie usług interaktywnych w relacji dostawca usług - użytkownik; kanał interakcyjny IC (Interaction channel) - dwukierunkowy kanał interakcyjny utworzony pomiędzy dostawcą usług i użytkownikiem. Składa się z: łącza zwrotnego od użytkownika do dostawcy usług, stosowanego głównie do przesyłania zapytań dla dostawcy lub do przesyłania odpowiedzi do dostawcy, łącza podstawowego (do użytkownika) stosowanego do przesyłania informacji przez dostawcę usług do użytkownika. Kanał ten może być zintegrowany z kanałem rozsiewczym. Może nie być również wymagany przy świadczeniu niektórych prostych usług przez kanał rozsiewczy. Terminal użytkownika składa się z interfejsu do sieci NIU (Network Interface Unit) obejmującego moduł interfejsu rozsiewczego BIM (Broadcast Interface Module) i moduł interfejsu interaktywnego IIM (Interactive Interface Module) oraz urządzenia końcowego STU (Set Top Unit). Terminal użytkownika wyposażony jest w interfejsy do kanału rozsiewczego i do kanału interakcyjnego i kontaktuje się z siecią poprzez moduł IIM. W systemach LMDS stosujących cyfrową platformę DVB konieczne jest utworzenie dwukierunkowego łącza pomiędzy dostawcą usług i użytkownikiem. Zasadą jest przekazanie sygnału synchronizującego w łączu kanału interaktywnego od interfejsu adaptera sieciowego INA (Interactive Network Adapter) do interfejsu sieciowego użytkownika NIU (Network Interface Unit). Dzieki temu interfejsy sieciowe NIU mogą dostosować się do sieci i odesłać informację o synchronizacji do INA. Transmisja od użytkownika do sieci odbywa się przy zastosowaniu czasowego zwielokrotnienia dostępu do kanału TDMA. Szczeliny czasowe mogą być wykorzystane przez różnych użytkowników. Jeden kanał do użytkownika można użyć do synchronizacji do ośmiu kanałów od użytkowników, z których każdy podzielony jest na szczeliny czasowe. Informacja o stanie licznika adaptera sieciowego kanału interaktywnego INA przesyłana jest periodycznie do interfejsów sieciowych użytkowników NIU. Dzięki temu są one w stanie pracować synchronicznie w oparciu o ten sam zegar, a szczeliny czasowe mogą być udostępniane różnym użytkownikom. W systemie stosuje się trzy podstawowe typy protokołów dostępu. Pierwszy z nich jest protokołem losowym. Użytkownik może przesłać wiadomość w dowolnym czasie. Może ona jednak wejść w kolizję z wiadomością wysłaną przez innego użytkownika. W pozostałych dwóch typach protokołów stosuje się rezerwację albo określonej skończonej liczby szczelin dla określonego NIU albo określonej przepustowości wymaganej przez dany NIU. Typy protokołów są dobierane w sposób dynamiczny. Interfejsy sieciowe użytkownika NIU uzyskują informację, czy w danym momencie mogą stosować protokół losowy czy też jeden z protokołów rezerwacyjnych.

Adapter sieciowy kanału interaktywnego INA okresowo wskazuje nowym użytkownikom możliwość przejścia przez wstępną procedurę w celu synchronizacji ich interfejsów sieciowych do zegara sieci bez ponoszenia ryzyka kolizji z już aktywnymi użytkownikami. INA udostępnia nowym użytkownikom szerszy przedział czasowy do przesyłania wiadomości. Uwzględniane są czasy propagacji sygnału od INA do wielu NIU i z powrotem. Kanały interaktywne w łączu od użytkownika mogą być umieszczone w paśmie kanału rozsiewczego IB (In Band) lub poza jego pasmem OOB (Out Of Band). Urządzenia abonenckie nie muszą być dostosowane do obu typów kanałów interaktywnych (sterujących). W systemach ze sterowaniem OOB musi występować podstawowy kanał interaktywny zarezerwowany dla danych interaktywnych i sterujących. Można również przesyłać większe strumienie danych stosując kanał DVB-MS. Częstotliwość tego kanału przesyłana jest w podstawowym kanale interaktywnym. W systemach ze sterowaniem IB kanał sterujący realizowany jest poprzez MPEG-2 TS kanału DVB-MS Systemy z interaktywnym kanałem do użytkownika w paśmie kanału rozsiewczego IB i poza nim OOB zapewniają taką samą jakość usług. Systemy te różnią się architekturą. Mogą pracować w jednej sieci ale muszą być rozdzielone częstotliwościowo. Model odniesienia ETSI Przedstawiona na rysunku 1 koncepcja transmisji danych obsługujących realizację usług szerokopasmowych jest bardzo ogólna i w chwili obecnej jej pełna realizacja w systemach naziemnych jest bardzo kosztowna. Nie ma również ekonomicznie uzasadnionych czynników, które skłaniały by do jej pełnej realizacji w ramach jednego systemu. Szerokopasmowe naziemne systemy dostępowe można podzielić na dwie kategorie: spełniające wymagania klasycznych operatorów telefonicznych oraz spełniające wymagania operatorów telewizji kablowej z aspiracjami do świadczenia dodatkowo usług telekomunikacyjnych. Ze względu na zapotrzebowanie i uwarunkowania techniczne w naziemnych systemach obserwuje się szybki rozwój pierwszej grupy szerokopasmowych systemów do dystrybucji danych. Drugą grupę systemów wygodniej jest realizować w oparciu o systemy satelitarne. Systemy typu punkt wielepunktów (PMP) są zazwyczaj systemami ze statycznym przypisaniem zasobów (FA) (Fixed Assignment) lub z przypisaniem zasobów na żądanie (DAMA) (Demand Assigned Multiple Access) [3, 5]. Systemy te, chcąc konkurować z innymi rozwiązaniami przewodowymi, winny charakteryzować się efektywnym wykorzystaniem widma elektromagnetycznego, możliwością koncentracji ruchu telekomunikacyjnego oraz przeźroczystością. Koncentracja ruchu polega na możliwości korzystania przez N abonentów z n kanałów (przy czym N>n), co umożliwia oszczędne gospodarowanie częstotliwościami i obniżenie kosztów wyposażenia. Przeźroczystość rozumiana jest jako możliwość nawiązania połączenia pomiędzy centralą i terminalem abonenckim bez potrzeby ingerencji w pracę łącza radiowego. Zgodnie z dokumentami ETSI [4] w skład systemu PMP mogą wchodzić następujące elementy: stacja centralna (CS) (Central Station), w skład której wchodzi: sterownik stacji centralnej (CCS) (Central Controller Station) realizujący m.in.: połączenie z siecią poprzez interfejs do sieci SNI (Service Node Interface) np. do miejscowej centrali; jeden sterownik może obsługiwać wiele CRS; zespół radiowy stacji centralnej (CRS) (Central Radio Station),

terminal systemu (TS) (Terminal Station) wyposażony w interfejsy abonenckie UNI (User Network Interface), stacja przekaźnikowa (repiter) (RS) (Repiter Station), która może również być wyposażona w interfejs UNI oraz może obsługiwać więcej terminali systemowych TS. Do terminali systemowych TS dołączone są poprzez interfejs SNI terminale abonenckie TE (Terminal Equipment). Stacja centralna dołączona jest do sieci poprzez interfejs SNI i realizuje funkcję koncentracji ruchu poprzez zarządzanie wszystkimi dostępnymi kanałami w systemie. Strukturę systemu PMP przedstawiono na rysunku 3. Antena dookólna lub sektorowa Antena kierunkowa TS TE UNI SNI Węzeł sieci CCS CRS CS Inne CRS Antena kierunkowa Antena kierunkowa TS TS Antena kierunkowa Antena dookólna lub sektorowa TS TE UNI TE UNI TE UNI RS Antena TS kierunkowa TE UNI TE UNI TE Rys. 3. Struktura systemu PMP Typowe właściwości systemu PMP wygodnie przedstawić, analizując je z uwzględnieniem: aspektów systemowych, aspektów radiowych, typów świadczonych usług i stosowanych interfejsów od strony centrali i abonenta, aspektów związanych z zasilaniem i charakterystykami środowiska. Pojemność transmisyjna łącza w systemie PMP powinna wynosić n x 2 Mb/s. Właściwości transmisyjne łącza winny spełniać Zalecenie ITU-T G.821. Opóźnienie w obie strony (round trip delay) dla 64 kb/s strumieni danych przenoszących informację głosową nie może przekraczać 20 ms. System musi spełniać warunek pełnej przeźroczystości. Transmisja danych poprzez system nie może wymagać od centrali i urządzeń abonenckich żadnych dodatkowych akcji. Jeśli system wyposażono w interfejs do systemu zarządzania TMN, to musi on spełniać wymagania Zalecenia ITU-T G.773. W systemach PMP ograniczono maksymalną moc wyjściową mierzoną w punkcie C (Rys. 4) do wartości 35 dbm. W systemach, w których wymagana jest mniejsza moc nadawana ze względu na uzyskanie właściwych warunków odbioru lub spełnienie innych uwarunkowań prawnych, należy zapewnić regulację tej mocy. Moc wyjściowa musi być utrzymywana z dokładnością ±1 dbm.

Z' Nadajnik A' Filtr Rx/Tx B' Ukł. dopasowujący C' Linia zasilająca D' D C B A Z Linia zasilająca Ukł. dopasowujący Filtr Rx/Tx Odbiornik Rys. 4. Schemat blokowy modułów radiowych systemu P-MP Zgodnie z zaleceniami ERC (European Radiocommunication Committee) [6, 7, 8] systemy PMP (kategoria ta obejmuje również systemy LMDS) powinny wykorzystywać pasma częstotliwościowe podane w tabeli 1. Tabela 1. Częstotliwościowe parametry kanałów systemu LMDS Pasmo częstotliwości [GHZ] Granice pasm [GHz] Nr zalecenia Odległość dupleksowa [MHz] Odległości międzykanałowe [MHz] 3,5 3,4-3,6 ERC Rec. 14-03 [6] 50/100 0,5 (szczeliny) 10,5 24.5-26.5 27.5-29.5 10,15-10,30 10,50-10,65 24,5 25,445 25,557-26,5 27,5 28,4445 25,5565-29,5 ERC Rec. 12-05 [7] 350 0,5 (szczeliny) ERC Rec. 13-02 [8] 1008 ERC Rec. 13-02 [8] 1008 W dokumencie [8] przygotowanym przez Grupę Roboczą ITU-FM (Frequency Management) i zaakceptowanym przez ERC (European Radiocommunications Committee) ustalono ściśle rozkład kanałów dla systemów pracujących w pasmie 26 i 28 GHz. Rozmieszczenie kanałów dla pasma 26 GHz pokazano na rysunku 5. (a) kanały 112 MHz (3,5 MHz x 32) Pasmo ochronne (c) kanały 28 MHz (3,5 MHz x 8) 49 MHz Pasmo ochronne 112 MHz Pasmo ochronne 47 MHz 32 x 28 MHz kanałów 32 x 28 MHz kanałów (d) kanały 14 MHz (3,5 MHz x 4) 49 MHz 112 MHz 47 MHz 64 x 14 MHz kanałów 64 x 14 MHz kanałów (e) kanały 7 MHz (3,5 MHz x 2) 49 MHz 112 MHz 47 MHz 128 x 7 MHz kanałów 128 x 7 MHz kanałów (f) kanały 3,5 MHz 49 MHz 112 MHz 47 MHz 256 x 3,5 MHz kanałów 256 x 3,5 MHz kanałów 24,500 GHz 25,445 GHz 25,557 GHz 26,500 GHz Rys. 5. Rozmieszczenie kanałów systemu LMDS w paśmie 26 GHz

Rozmieszczenie częstotliwości nośnych poszczególnych kanałów uzależnione jest od szerokości pasma kanału transmisyjnego. W paśmie 26 GHz przyjmuje się dupleksowy odstęp międzykanałowy równy 1008 MHz, odstęp ochronny pomiędzy podpasmami równy 112 MHz oraz częstotliwość odniesienia f 0 = 25501,0 MHz. Częstotliwości nośne kanałów w dolnym podpaśmie f d i w górnym podpaśmie f g wyznacza się w następujący sposób: a) dla systemów z odstępem międzykanałowym 28 MHz: f d = f 0-966 + 28n f g = f 0 + 42 + 28n dla n = 1,... 32; b) dla systemów z odstępem międzykanałowym 14 MHz: f d = f 0-959 + 14n f g = f 0 + 49 + 14n dla n = 1,... 64; c) dla systemów z odstępem międzykanałowym 7 MHz: f d = f 0-955.5 + 7n f g = f 0 + 52.5 + 7n dla n = 1,... 128; d) dla systemów z odstępem międzykanałowym 3,5 MHz: f d = f 0-953.75 + 3.5n f g = f 0 + 54.25 + 3.5n dla n = 1,... 256. Rozmieszczenie kanałów dla pasma 28 GHz pokazano na rysunku 6. 48,5 MHz 112 MHz 47,5 MHz 32 x 28 MHz 32 x 28 MHz 64 x 14 MHz 64 x 14 MHz 128 x 7 MHz 128 x 7 MHz 256 x 3,5 MHz 256 x 3,5 MHz 27,5 GHz 28,4445 GHz 28,5565 GHz 29,5 GHz Rys. 6. Rozmieszczenie kanałów systemu LMDS w paśmie 28 GHz Tak jak poprzednio rozmieszczenie częstotliwości nośnych poszczególnych kanałów uzależnione jest od szerokości pasma kanału transmisyjnego. W paśmie 28 GHz przyjmuje się dupleksowy odstęp międzykanałowy równy 1008 MHz, odstęp ochronny pomiędzy podpasmami równy 112 MHz oraz częstotliwość odniesienia f 0 = 28500,5 MHz. Częstotliwości nośne kanałów w dolnym podpaśmie f d i w górnym podpaśmie f g wyznacza się w następujący sposób: a) dla systemów z odstępem międzykanałowym 28 MHz: f d = f 0-966 + 28n f g = f 0 + 42 + 28n dla n = 1,... 32

b) dla systemów z odstępem międzykanałowym 14 MHz: f d = f 0-959 + 14n f g = f 0 + 49 + 14n dla n = 1,... 64 c) dla systemów z odstępem międzykanałowym 7 MHz: f d = f 0-955.5 + 7n f g = f 0 + 52.5 + 7n dla n = 1,... 128 d) dla systemów z odstępem międzykanałowym 3,5 MHz: f d = f 0-953.75 + 3,5n f g = f 0 + 54.25 + 3,5n dla n = 1,... 256. W zależności od szerokości pasma kanału użytecznego wykorzystywanego w systemie LMDS, kanał transmisyjny powinien być dopasowany do odpowiedniej organizacji kanału proponowanej w tabeli 2. Tabela 2. Organizacja kanałów transmisyjnych w systemach LMDS (kb/s) Odstęp międzykanałowy [MHz] Minimalna pojemność transmisyjna st. bazowej dla 4-stanowej modulacji [kb/s] Minimalna pojemność transmisyjna st. bazowej dla 8-stanowej modulacji [kb/s] Minimalna pojemność transmisyjna st. bazowej dla 16-stanowej modulacji [kb/s] 1,0 1,75 2,0 3,5 7,0 14 28 30 12x64 21x64 24x64 42x64 84x64 4x2048 8x2048 16x2048 17x2048 18x64 31x64 36x64 62x64 5x2048 10x2048 20x2048 22x2048 24x64 42x64 48x64 84x64 4x2048 8x2048 16x2048 32x2048 34x2048 Dla systemów przenoszących w kanale rozsiewczym sygnały telewizyjne [1] dokonano również ustaleń dotyczących częstotliwości pośrednich, ułatwiających współpracę z istniejącymi sieciami telewizji kablowej. Ustalenia te nie są jednak obowiązujące. Kanał sterowania do użytkownika może wykorzystywać pasmo częstotliwości od 950 MHz do 2150 MHz. Kanał sterowania od użytkownika można zorganizować w dwojaki sposób: 1. dla sterowania OOB w celu zapewnienia kompatybilności z istniejącymi sieciami telewizji kablowej (ETS 300 800) stosuje się pasma od 70 MHz do 130 MHz w kierunku do użytkownika i od 5 MHz do 65 MHz w kierunku od użytkownika (Rys. 6); 2. dla sterowania IB, uwzględniając kompatybilność z sieciami kablowymi oraz dążąc do zapewnienia maksymalnej pojemności dla usług multimedialnych stosuje się pasma od 400 MHz do 700 MHz lub od 5 MHz do 305 MHz (Rys. 7). W interaktywnym kanale OOB do użytkownika należy stosować szybkość transmisji danych 3,088 MB/s. Wymaga się, by INA i NIU dostosowane były do tej szybkości. W kanale interaktywnym IB do użytkownika jedynym wymaganiem jest, by szybkość transmisji była wielokrotnością szybkości 8 kb/s. Kanał interaktywny do użytkownika OOB nadaje w sposób ciągły ramki zgodne ze strukturą łącza typu T1. Część transmitowanych danych zawiera informacje do synchronizacji strumienia danych od użytkownika. Kanał interaktywny do użytkownika IB transmituje pakiety MPEG-2 TS ze specyficznymi identyfikatorami PID służącymi do synchronizacji danych od użytkownika.

Do użytkownika Kanały rozsiewcze LMDS 950-2150 MHz 70-130 MHz 950 2150 Częstotliwość [MHz] Kanały interaktywne 2 MHz z modulacją QPSK do użytkownika 5-65 MHz Kanały interaktywne 2 MHz z modulacją QPSK od użytkownika Od użytkownika Rys. 7. Preferowane zakresy częstotliwości pośredniej dla systemów LMDS z zewnętrznym kanałem sygnalizacyjnym do użytkownika (OOB) Do użytkownika Kanały rozsiewcze LMDS 950-2150 MHz 950 2150 Częstotliwość [MHz] 400-700 MHz Kanały interaktywne 2 MHz z modulacją QPSK od użytkownika Od użytkownika Rys. 7. Preferowane zakresy częstotliwości pośredniej dla systemów LMDS z wewnętrznym kanałem sterującym od użytkownika Adapter sieciowy kanału interaktywnego INA wybiera dla użytkownika jedną z prędkości transmisji: 6,176 Mb/s lub 3,088 Mb/s. Wymagana jest obsługa transmisji z szybkością 3,088 Mb/s, inne szybkości są opcjonalne dla INA i NIU. Ramka w interaktywnym kanale od użytkownika zawiera 512 bitów (256 symboli). Wysyłana jest ona przez różnych aktywnych użytkowników w szczelinach czasowych. Dla szybkości transmisji 6,176 Mb/s mamy szybkość nadawania ramek równą 12000 ramek/s a dla szybkości 3,088 Mb/s odpowiednio 6000 ramek/s. Naziemne systemy LMDS dostosowane do wymagań operatorów telekomunikacyjnych Obecnie wielu producentów wprowadziło na rynek lokalne systemy umożliwiające transmisje szerokopasmowe. Stosuje się głównie mikrofalowe interaktywne platformy telekomunikacyjne umożliwiające transmisję danych poprzez zestawianie łączy o przepustowości nawet do 34 Mb/s poprzez elastyczne i dynamiczne wykorzystanie pasma częstotliwości. W celu pokrycia sygnałem radiowym obszarów o dużej gęstości abonentów (np. dużych miast) budowana jest sieć komórkowa. Tworzą ją przylegające do siebie obszary o promieniu kilku kilometrów. Centralnym punktem każdej z komórek jest stacja bazowa,

zapewniająca łączność z zainstalowanymi w obszarze stacjami odbiorczymi. Anteny stacji abonenckich umiejscowione są na dachach lub fasadach budynków, w których znajdują się odbiorcy usług. Wśród wielu dostawców tego typu systemów na rynku polskim stosowane są lub trwają zaawansowane testy najnowszych generacji systemów LMDS takich producentów jak: Siemens, Lucent Technologies, Ericsson i Alcatel. Systemy te są dostosowane do przenoszenia ruchu służącego do obsługi różnego rodzaju usług szerokopasmowych, na które istnieje duże zapotrzebowanie już obecnie oraz planowana jest ich modyfikacja w celu dalszego zwiększenia przepustowości tych systemów w przyszłości i możliwości obsługi jeszcze bardziej zaawansowanych usług multimedialnych. Dość długą historię oraz plany dalszego rozwoju ma system WalkAir produkowany przez Siemensa [9]. Przechodzi on ewolucję od zastosowań typowo radioliniowych w pasmie 3,5 GHz z symetrycznymi łączami dupleksowymi 2x2 Mb/s w pasmie 2x1,75 MHz do pasm 10,5 i 26 GHz z kanałami o znacznie szerszych pasmach i przepustowościach. W wersjach dostępnych obecnie użytkownik od strony terminalu ma do dyspozycji takie interfejsy jak: nx64 kb/s, E1, Frame Relay/V.35, X.21/V.35 oraz 10 lub 100BaseT. Od strony stacji bazowej system może być dołączony do węzła udostępniania usług, np. centrali, lub sieci transmisji pakietowej wykorzystując dostępne interfejsy V5.1 lub V5.2 oraz E1 i Frame Relay/V.35 Stacja bazowa systemu WalkAir składa się z następujących bloków: anten, jednostki przetwarzania częstotliwości radiowej RFU-BS (Radio Frequency Unit - Base Station), multipleksera kanałów (IF-MUX) pracującego na pośredniej częstotliwości, jednostki podstawowej BU-BS (Basic Unit - Base Station). Do odpowiedniego pokrycia zasięgiem stosuje się anteny sektorowe. Ich parametry elektryczne zależą od zakresu częstotliwości. Producent w pasmie 3,5 GHz stosuje anteny o szerokości wiązki 60 i 90 i zysku energetycznym odpowiednio 15,0 i 13,5 dbi. Przy ich użyciu można tworzyć cztery lub sześć sektorów wokół stacji bazowej. Zasięg systemu wynosi ok. 10 km. W pasmie 26 GHz dostępne są anteny o szerokości wiązki 45 i 90 i zyskach odpowiednio 18,0 i 15,5 dbi, które umożliwiają budowę ośmiu lub czterech sektorów. Zasięg systemu w tym zakresie częstotliwości nie przekracza 4 km. Jednostka przetwarzania częstotliwości radiowej RFU-BS dokonuje konwersji częstotliwości w.cz./p.cz. i wzmacnia sygnał odebrany na tyle, by możliwy był jego prawidłowy odbiór i przetwarzanie przez multiplekser kanałów IF-MUX. Ze względu na tłumienie przewodu odległość pomiędzy RFU-BS i IF-MUX nie może przekraczać 150 m. Jest to dość istotny parametr, który w przypadku systemu WalkAir umożliwia wygodną instalację anten na wysokościach zapewniających uzyskanie bezpośredniej widoczności z antenami terminali. Jednostka RFU-BS pracująca w zakresie 3,5 GHz umieszczona jest w osobnej obudowie i musi być instalowana tuż przy antenie, gdyż długość przewodu nie może przekraczać 1 m. W pasmie 26 GHz jednostka RFU-BS jest zintegrowana z anteną. Do multipleksera kanałów może być dołączonych nie więcej niż osiem jednostek RFU-BS. Jednostkę podstawową stacji bazowej, do której dołączony jest multiplekser tworzą oprócz płyty głównej odpowiednie zunifikowane dla całego systemu karty interfejsów. Jednocześnie można wykorzystywać do trzech typów interfejsów do węzła udostępniania usług. Dość podobną strukturę ma terminal abonencki, który składa się z anteny dołączonej przewodem współosiowym do jednostki podstawowej terminala BU-TS (Basic Unit - Terminal Station). Anteny terminali dla pasm 3,5 GHz i 26 GHz mają takie same parametry

elektryczne, różnią się jednak budową. Szerokość głównej wiązki anteny wynosi 18 lub 2,5, a zyski energetyczne odpowiednio 18,0 dbi i 35,0 dbi. Podobnie jak stacja bazowa, terminal może być wyposażony w trzy różne interfejsy abonenckie. Dużą dowolność w instalacji anteny na zewnątrz budynku i jednostki podstawowej terminala w pomieszczeniu abonenta ułatwia możliwość stosowania przewodu łączącego o długości do 150 m. Terminal może być zasilany napięciem przemiennym 230 V lub stałym 48 V. W dostępnej w chwili obecnej wersji systemu WalkAir podstawowym kanałem transmisyjnym jest kanał o szerokości 1,75 MHz. Zastosowano dupleks częstotliwościowy FDD (Frequency Division Duplex) oraz zwielokrotnienie czasowe kanału TDM w łączu stacja bazowa - terminal oraz czasowy dostęp do kanału TDMA w łączu od terminala do stacji bazowej. System WalkAir jako jeden z nielicznych w tej klasie systemów radiokomunikacyjnych stosuje bardzo zaawansowane metody modulacji. W celu uzyskania dużej skuteczności wykorzystania widma zastosowano modulację 64 QAM i kodowanie stanów trellis. Dzięki temu skuteczność wykorzystania widma wynosi teoretycznie 2,5 b/s/hz, a w praktyce użytkownik ma do dyspozycji strumień 4,096 Mb/s w pasmie 1,75 MHz, co umożliwia uzyskanie skuteczności równej 2,34 (4,096/1,75). Łącze radiowe systemu WalkAir zwielokrotniono czasowo. Zostało ono podzielone na szesnaście szczelin czasowych, każda może obsługiwać jeden terminal TS. W zakresie częstotliwości 3,5 GHz w jednym sektorze może pracować do ośmiu łączy zajmujących pasmo 2x14 MHz (2x8x1,75 MHz), w zakresie 26 GHz - do szesnastu łączy zajmujących pasmo 2x28 MHz (2x16x1,75 MHz) (rys. 8), Terminal abonencki TS TDM/TDMA Stacja bazowa TS 1 FDM Linie dzierżawione Frame Relay Ethernet ISDN TS n TDM/TDMA 1,75 MHz - 2x2 Mb/s 60 x 64 kb/s Dynamiczny przydział szczelin Nośna # 1 1,75 MHz Nośna # n 1,75 MHz PSTN/ ISDN TS 16 Nośna # 16 1,75 MHz Frame Relay 1-8 x nośna (3,5 GHz) 1-16 x TS na jednej nośnej 1-16 x nośna (26 GHz) Rys.8. Struktura łączy radiowych obsługujących jeden sektor w systemie WalkAir (Siemens) Ze względu na strukturę łącza radiowego systemu WalkAir oraz dostępne anteny o szerokości sektora 90 i 45 można w odpowiedni sposób kształtować całkowitą pojemność komórki systemu. Przy wykorzystaniu dwóch dupleksowych kanałów o szerokości 7 MHz i częstotliwościach nośnych F1 i F2 można przesłać strumień danych o szybkości 32 Mb/s. W tym przypadku można utworzyć na każdej częstotliwości cztery kanały o szerokości 1,75 MHz (4x1,75 MHz = 7 MHz) - każdy przenoszący strumień danych z szybkością 2x2 Mb/s. Jeśli zastosujemy komórkę składającą się z ośmiu sektorów, to uzyskamy podwojenie

pojemności. Ruch przenoszony przez stację bazową wyniesie maksymalnie 64 Mb/s. W przypadku, gdy operator dysponuje większym pasmem, proporcjonalnie można zwiększać pojemność transmisyjną stacji bazowych, jak to przedstawiono na rysunku 9. Sector 90 Współczynnik ponownego wykorzystania częstotliwości = 2 Sector 45 Współczynnik ponownego wykorzystania częstotliwości = 4 F2 F1 F2 F1 F1 F2 F1 F2 F2 F1 F1 F2 Szerokość pasma [MHz] Pojemność komórki 4 Sektory 8 Sektorów 14 32 x E1 64 x E1 28 64 x E1 128 x E1 56 128 x E1 256 x E1 Rys. 9. Kształtowanie pojemności stacji bazowej systemu WalkAir przy użyciu sektoryzacji oraz zmianie szerokości zajmowanego pasma częstotliwości (Siemens) System WalkAir może być stosowany do świadczenia usług transmisyjnych wykorzystujących dwa typy interfejsów użytkownika na łączu E1 zgodnym z zaleceniem ITU- T G.703: interfejs V.35/X.21 oraz Ethernet 10BaseT. Dodatkowo, do celów utrzymaniowych, terminale wyposażone są w interfejs RS 232. System może być zastosowany do świadczenia następujących usług: PR ISDN, linii dzierżawionych, łączy Frame Relay z dynamicznym przydziałem pasma, V5.1. Interfejs Ethernet udostępniany jest na styku 10BaseT terminalu abonenckiego. Wbudowana funkcja mostowania powoduje, że pakiety transmitowane do lokalnej sieci LAN nie są przenoszone. Jedynie pakiety adresowane do innych lokalizacji, np. do dostawcy usług internetowych ISP (Internet Service Provider) lub innej sieci LAN będą przekazywane do sieci szkieletowej operatora. Możliwe sposoby wykorzystania terminalu systemu WalkAir pokazano na rysunku 10. System WalkAir zgodnie z planami producenta będzie rozwijał się w kierunku większych przepustowości łącza radiowego. W wersji WalkAir 3000 podstawową szerokością kanału radiowego będzie 14 MHz, co umożliwi transmisję strumieni 34 Mb/s. W pierwszej fazie system WalkAir 3000 zostanie przygotowany na pasmo 26 GHz. W jednym sektorze umożliwi przenoszenie czterech strumieni 34 Mb/s w kanałach o szerokości 14 MHz przy użyciu tej samej anteny. Tak jak w poprzednich wersjach zastosowano czasowe zwielokrotnienie dostępu TDMA z dupleksem częstotliwościowym na wielu nośnych. System będzie mógł obsłużyć na jednej nośnej do 64 terminali. Nowością jest zastosowanie dwóch typów modulacji: 16 QAM i QPSK. Gdy wymagana jest duża pojemność, a abonenci rozmieszczeni są w pobliżu stacji bazowej, stosuje się modulację 16-QAM (duża pojemność,

mały zasięg). Gdy abonenci są oddaleni od stacji bazowej, to system automatycznie przechodzi na modulację QPSK (mniejsza pojemność, większy zasięg). Poprzez automatyczny wybór modulacji system umożliwia uzyskanie dużej pojemności i dużego zasięgu. W systemie nowej generacji możliwe będzie uzyskanie wymaganej jakości świadczenia usługi QoS (Quality of Service) pomiędzy dwoma punktami (end-to-end). Przewiduje się zainstalowanie w terminalu następujących interfejsów: 10/100BaseT, nxe1, V.35/X.21. Stacja bazowa dysponować będzie interfejsami: 10/100BaseT, nxe1, E3 i STM-1. Konstrukcja systemu zapewnia możliwość jego instalacji na tych samych masztach i łagodny sposób wymiany starszego systemu na najnowszy. WALKair Terminal ONU E1 V5.1 E1 V5.1ONU ISDN/POTS (TCP/IP modem) ISDN ISDN/POTS TA X.25 WALKair Stacja bazowa WALKair Terminal WALKair Terminal ONU E1 V5.1 X21 FR/Ethernet X21 FR ISDN TCP/IP 2Mb/s Frame Relay 64kb/s G.703 Linia dzierżawiona 2Mb/s WALKair X21 FR/Ethernet Terminal G.703 TCP/IP 512 kb/s ATM 2Mb/s Rys. 10. Sposób wykorzystania terminalu WalkAir do świadczenia różnych usług (Siemens) Inne rozwiązanie struktury interfejsu radiowego systemu szerokopasmowego dostępu zaproponowały firmy Ericsson i Lucent Technologies. Zastosowały one w łączu radiowym transmisję pakietową komórek ATM. Rozwiązanie firmy Ericsson o nazwie MiniLink BAS zaprezentowano w [2]. System OnDemand firmy Lucent Technologies jest rozwijany w kierunku skuteczniejszego wykorzystania radiowych zasobów. Niedawno zmieniono jego nazwę na AirStar [10, 11]. W łączu radiowym do stacji bazowej zastosowano czasowe zwielokrotnienie dostępu TDMA, a w łączu stacja bazowa - terminal czasowe zwielokrotnienie TDM. Na każdej stacji bazowej pary kanałów dupleksowych mogą być zwielokrotniane czestotliwościowo FDM. Jednym z ważniejszych rozwiązań firmowych jest protokół dostępu do kanału radiowego MAC (Medium Access Control). Lucent Technologies stosuje opatentowany protokół o nazwie CellMac zapewniający uzyskanie wymaganej jakości świadczenia usług QoS (Quality of Service) oraz dynamicznego przydziału pasma DBA (Dynamic Bandwidth Allocation) System AirStar został przystosowany do świadczenia usług telekomunikacyjnych o symetrycznym zapotrzebowaniu na przepustowość. Usługi transmisji dźwięku realizowane są poprzez dołączenie do terminalu AirStar centralki PABX lub wąskopasmowej sieci dostępowej. Stosuje się do tego styk E1 lub styk nx64 kb/s terminalu. Na podstawie sygnalizacji związanej z realizacją usługi PRA terminal może dynamicznie przydzielać pasmo. Usługi transmisji danych realizowane mogą być poprzez styk Ethernet 10/100BaseT, styk E1, nx64 kb/s oraz styk FRF.5 (Frame Relay). Pasmo przydzielane jest w dynamiczny sposób dla transmisji pakietowej IP poprzez styki 10/100BaseT oraz poprzez styk FR. Usługi linii dzierżawionych realizowane są na bazie styku E1, natomiast usługi wideokonferencyjne poprzez styki 10/100BaseT lub V.35/X.21. System AirStar umożliwia zatem realizację usług

wymagających i niewymagających gwarantowanego pasma. System wyposażono w interfejs STM-1 do sieci szkieletowej. Strukturę systemu przedstawiono na rysunku 11. Terminal AirStar PABX (E1) E1 V.35 10/100BaseT SAS SRU 7/14 MHz ATM centrala PSTN Użytkownik końcowy BRU ATM Terminal AirStar PABX (E1) SRU SAS ATM E1 7/14 MHz V.35 10/100BaseT Użytkownik końcowy 155Mb/s BSS 155Mb/s SDH SDH konc. 155 Mb/s ATM ATM ATM UNI UNI (usługi IP, FR, LAN ) Stacja bazowa Węzeł udostępniania usług WUU Rys. 11. Struktura systemu AirStar W sk³ad systemu AirStar wchodz¹ nastêpuj¹ce elementy: pó³ka stacji bazowej BSS (Base Station Shelf), modu³ radiowy BRU (Base Radio Unit), modu³ modemów BMM (Base Modem Module) oraz sterownik stacji bazowej BSC (Base Station Controller) tworz¹ce stacje bazow¹ oraz modu³ radiowy SRU (Subscriber Radio Unit) i modu³ dostêpowy SAS (Subscriber Access System) wchodz¹ce w sk³ad terminalu abonenckiego. Modu³y radiowe systemu mog¹ pracowaæ z pasmem 7 MHz lub 14 MHz przenosz¹c ruch z szybkoœci¹ odpowiednio 8 Mb/s lub 16 Mb/s (modulacja QPSK). Jedna pó³ka stacji bazowej mo e zawieraæ dwa modu³y modemów BMM, ka dy obs³uguj¹cy cztery modu³y radiowe. Stacja mo e pracowaæ z protekcj¹ 1+1 lub bez protekcji (2+0) ale z dwukrotnie wiêksz¹ pojemnoœci¹. Dynamika regulacji mocy wyjœciowej modu³ów radiowych wynosi 50 db, co gwarantuje pracê prawid³owo zaprojektowanego systemu w szczególnie z³ych warunkach atmosferycznych. Z prostych obliczeñ wynika, e jedna pó³ka mo e obs³u yæ ruch o szybkoœci 128 Mb/s. W najbli szej przysz³oœci producent wprowadzi do u ytku modu³y radiowe stosuj¹ce modulacje 16-QAM. Dzieki temu mo liwe bêdzie dwukrotne zwiêkszenie pojemnoœci stacji bazowej. Poniewa wymagany do zapewnienia transmisji z bitow¹ stop¹ b³êdów mniejsz¹ od 10-6 stosunek C/I dla modulacji QPSK wynosi 23 db, a dla modulacji 16- QAM jest wiekszy o 7 db, to zasiêg systemu stosuj¹cego modulacje 16-QAM jest mniejszy. Na rysunku 12 przedstawiono typowe zasiêgi system AirStar dla dwóch regionów opadów E i K wystêpuj¹cych na terytorium Polski. Zwiêkszona pojemnoœæ systemu stosuj¹cego modulacje 16-QAM w po³¹czeniu z mniejszym zasiêgiem powoduje, e system ten ma znacznie wiêksz¹ pojemnoœæ transmisyjn¹ przypadaj¹c¹ na jednostkê powierzchni obs³ugiwanego obszaru wyra on¹ w Mb/s/km 2. Zastosowanie modulacji wy szego rzêdu w sieciach LMDS sk³adaj¹cych siê z prawid³owo zaprojektowanych wielu stacji bazowych prowadzi jednak w konsekwencji do zwiêkszenia powierzchni, w której wystêpuj¹ zak³ócenia. Dla modulacji QPSK powierzchniê zak³ócan¹ szacuje siê na 2% a dla 16-QAM na 7%.

13 km 10 GHz ITU E ~ 9 km 10 GHz ITU K 26/28 GHz ITU E ~ 5 km 10 GHz ITU N 26/28 GHz ITU K 26/28 GHz ITU N 1.5 4.6 km 2.9 Range km Rys. 12.Typowe zasiêgi systemu AirStar w pasmie 10,5 GHz oraz pasmach 26/28 GHz dla regionów ITU E, K i N SATELITARNE SYSTEMY DOSTĘPU SZEROKOPASMOWEGO Ostatnie lata pokazały, że systemy satelitarne rozwijają się w kierunku świadczenia usług masowych, takich jak dostarczanie telewizji, radiofonii i podstawowych usług telekomunikacyjnych oraz usług szybkiej transmisji danych do indywidualnych odbiorców. Systemy, które były systemami rozsiewczymi (np. rozsiewcza telewizja satelitarna) wprowadzają na szeroką skalę technikę cyfrowej transmisji sygnałów oraz usługi interaktywne. Tworzone są systemy do szybkiej transmisji danych w oparciu o konstelacje satelitarne na niskich orbitach. Konstelacje te są również stosowane przez systemy do wolnej transmisji danych (Small LEO) oraz świadczenia podstawowych usług telefonicznych POTS (Big LEO). Zestawienie podstawowych parametrów wybranych systemów satelitarnych stosujących niegeostacjonarne satelity NGSO (Non-GeoStationary Orbit) przedstawiono w tabeli 2 [12]. Spośród systemów stosujących satelity NGSO wymienionych w tabeli 2 jedynie system Skybridge można traktować jako szerokopasmowy system dostępowy. Pozostałe systemy dysponują zbyt wolnymi łączami (Iridium, Globalstar, Orbcomm, Leo One, New Ico) lub stanowią zintegrowaną platformę transmisyjną zawierającą zarówno system dostępowy jak i system szkieletowy z komutacją realizowaną na pokładzie satelity (Teledesic). System Iridium przedstawiono w [13], Globalstar w [14], Leo One w [15, 16], Teledesic w [17]. Systemy satelitarne pracujące w oparciu o satelity geostacjonarne takie jak: DirecPC, Astra Net i ARCS realizują funkcje systemu dostępowego.

Tabela 2. Podstawowe parametry wybranych systemów satelitarnych NGSO System Iridium (www.iridium.com) Globalstar (www.globalstar.com) Orbcomm (www.orbcomm.com) Leo One (www.leo1.com) New Ico (www.ico.com) Skybridge (www.skybridgesatellite. com) Teledesic (www.teledesic.com) Szybkość transmisji [kb/s] Wysokość i typ orbity Liczba satelitów Częstotliwość (GHz) Ruting Opóźnienie Usługi Kondycja finansowa km s 2,4 2,4 780 LEO 66 1,62 1,62 satelitarny 0,1 dostępne system przejęty przez nową firmę 9,6 9,6 1410 LEO 48 1,62 2,49 naziemny 0,1 dostepne problemy finansowe rozwiązane 2,4 9,6 820 LEO 88 0,149 0,138 naziemny 400 dostępne problemy finansowe (procedura ochrony przed bankructwem) 9,6 24 950 LEO 48 0,149 0,401 naziemny 60 od 2003r problemy finansowe rozwiązane 64 64 10390 MEO 10 2,19 2,00 satelitarny 0,2 od 2003r system przejęty przez nową firmę 2000 20000 1469 LEO 80 13,6 11,7 naziemny 0,1 od 2003r problemy finansowe rozwiązane 2000 64000 1350 LEO 288 28,9 19,1 satelitarny 0,1 od 2005r problemy finansowe rozwiązane - łącze terminal naziemny - satelita - łącze satelita - terminal naziemny (na podstawie Network Magazine, kwiecień 2001) Tabela 3. Podstawowe parametry wybranych systemów satelitarnych GSO System Szybkość transmisji [Mb/s] Wysokość i typ orbity Liczba satelitów Częstotliwości (GHz) Ruting Opóźnienie Usługi Kondycja finansowa km s DirecPC - 38 GSO 1 - naziemny 0,5 dostępne problemy finansowe rozwiązane Astra Net/ARCS 0,144 lub 2,048 38 GSO 2 29,5-30 10,7-12,75 naziemny 0,5 dostępne problemy finansowe rozwiązane Astrolink 0,016-10,4 155 GSO do 9 29,5-30,0 19,7-20,2 satelitarny 0,5 od 2003r brak danych Spaceway 0,384-6 92 GSO do 21 28,35-30,0 17,7-20,2 satelitarny 0,5 od 2002r brak danych

Spośród systemów stosujących satelity NGSO wymienionych w tabeli 2 jedynie system Skybridge można traktować jako szerokopasmowy system dostępowy. Pozostałe systemy dysponują zbyt wolnymi łączami (Iridium, Globalstar, Orbcomm, Leo One, New Ico) lub stanowią zintegrowaną platformę transmisyjną zawierającą zarówno system dostępowy jak i system szkieletowy z komutacją realizowaną na pokładzie satelity (Teledesic). System Iridium przedstawiono w [13], Globalstar w [14], Leo One w [15, 16], Teledesic w [17]. Systemy satelitarne pracujące w oparciu o satelity geostacjonarne takie jak: DirecPC, Astra Net i ARCS realizują funkcje systemu dostępowego. Architektura systemów satelitarnych System satelitarny może pełnić rolę sieci dostępowej (rys. 13a) lub rolę sieci dostępowej i szkieletowej (rys. 13b). W pierwszym przypadku sygnał nadawany z terminala abonenckiego odbierany jest przez satelitę, który transmituje go do naziemnej stacji satelitarnej. Poprzez połączenia tej stacji satelitarnej z naziemną infrastrukturą telekomunikacyjną, pełniącą rolę sieci szkieletowej, następuje przesłanie sygnału do adresata np. serwera WWW lub w pobliże adresata i dalej poprzez naziemną lub satelitarną sieć dostępową do terminala adresata. Satelita Dostawcy usług Satelita Szkieletowa sieć naziemna Terminal Stacja bazowa Stacja bazowa Terminal a) Sieć satelitarna z łączami ISL Szkieletowa sieć satelitarna b) Szkieletowa sieć naziemna Rys. 13. System satelitarny jako sieć dostępowa (a) lub sieć dostępowa i szkieletowa (b) W drugim przypadku sygnał nadany z terminala i odebrany przez satelitę jest przesyłany łączami międzysatelitarnymi ISL (Inter Satellite Links), poprzez satelity sieci, przetwarzające sygnał (on board processing) i komutujące połączenie, do satelity obsługującego adresata w określonej wiązce lub poprzez tzw. bramę (Gateway) do naziemnej sieci szkieletowej. Łącza międzysatelitarne można tworzyć nie tylko pomiędzy satelitami znajdującymi się na orbitach tego samego rodzaju. Planuje się również zastosowanie łączy do satelitów geostacjonarnych. W rozwiązaniach tego typu uzyskuje się korzystny bilans energetyczny łącza związanego z terminalem. Problem stanowi jednak duże opóźnienie sygnału. Z architekturą szerokopasmowych systemów satelitarnych powiązana jest ściśle budowa modułu telekomunikacyjnego satelity. Wyróżnia się dwie podstawowe metody obsługi strumienia danych przez moduł telekomunikacyjny satelity (rys. 14): retransmisja sygnału (bent pipe), przetwarzanie i komutacja sygnału (onboard processing and switching).

Większość dotychczas stosowanych satelitów działa jak stacje retransmisyjne (rys. 14a). Powoduje to, że nie jest możliwa regeneracja sygnału na satelicie. Bilans energetyczny łącza musi uwzględniać łączny wpływ łącza Ziemia - satelita i satelita - Ziemia. Wpływa to na rozmiary stosowanych anten i emitowane moce. Sygnał retransmitowany nie może być wykorzystany do dynamicznego sterowania wiązkami antenowymi. Oczywiście nie oznacza to, że w systemach tych nie można sterować wiązkami antenowymi. Sterowanie odbywa się poprzez odrębne łącza i system nadzoru satelity. Retransmisja sygnału przez satelitę ma bardzo cenną zaletę. Odbywa się ona w sposób przezroczysty. Strukturę sygnału można więc dowolnie modyfikować na Ziemi pod warunkiem, że zmianie nie ulegnie szerokość pasma zajmowana przez sygnał. Można w ten sposób wprowadzać nowsze typy protokołów transmisyjnych. Dobrze znane i sprawdzone są też rozwiązania techniczne stosowane przy tym typie transmisji. Częstotliwości łącza "w dół" RETRANSMISJA (Bent Pipe) Satelita REGENERACJA SYGNAŁU (Regenerative Satellite) Satelita Częstotliwości lacza "w górę" a) b) KOMUTACJA I PRZETWARZANIE (Switching and Processing) Satelita KOMUTACJA, PRZETWARZANIE i ŁĄCZA MIĘDZYSATELITARNE (Switching and Processing) Satelita c) d) Rys. 14. Satelita pracujący jako stacja retransmisyjna systemu dostępowego a), jako stacja retransmisyjna z regeneracja sygnału b), jako moduł komutacyjno - przetwarzający c) i jako moduł komutacyjno - przetwarzający z łączami międzysatelitarnymi d) Wraz z rozwojem technik przetwarzania i komutacji sygnałów pojawiły się rozwiązania realizujące te funkcje na pokładzie satelity. Pojawiła się nowa kategoria satelitów z regeneracją sygnału (Regenerative Satellite) (rys. 14b). Procesowi temu poddaje się tylko sygnały cyfrowe, uzyskując korzystniejszy bilans energetyczny łącza satelitarnego. Przy użyciu tego typu satelitów tworzy się satelitarne systemy dostępowe. Jeśli oprócz regeneracji sygnału urządzenia telekomunikacyjne na pokładzie satelity interpretują dane zawarte w kanałach sygnalizacyjnych, to możne je zastosować np. do komutacji przestrzennej związanej z użyciem wielowiązkowych anten i kierowaniem sygnału do właściwej wiązki (rys. 14c). Jeśli ponadto satelita wyposażony jest w łącza międzysatelitarne, to dane sterujące można wykorzystać do budowy w przestrzeni kosmicznej sieci transmisyjnych, komutowanych lub pakietowych, z satelitami wyposażonymi w anteny z dynamicznie sterowanymi wiązkami

(rys. 14d). Stosowane anteny i nadawane moce mogą być mniejsze, gdyż na pokładzie satelity sygnał jest również regenerowany. Ma to szczególne znaczenie w przypadku małych terminali stacjonarnych oraz terminali przenośnych i ruchomych. W tym przypadku łącze nie jest jednak przezroczyste. Dostosowane jest ono do określonego typu protokołu. Znacznie komplikuje się również budowa modułu telekomunikacyjnego satelity. Problemem staje się zapewnienie odpowiedniej niezawodności systemu, gdyż naprawa satelity w przestrzeni kosmicznej nie jest brana pod uwagę. Zakresy częstotliwości W zakresach częstotliwości VHF i UHF przypisanych służbom satelitarnym (od 137 do 401 MHz) nie ma odpowiednio szerokich pasm do świadczenia usług szerokopasmowych. Pasma te stosowane są przez systemy Little/Small LEO do wolnej transmisji danych (Orbcomm, Leo One). W zakresach częstotliwości L (1610 do 1626,5 MHz) i S (2483,5 do 2500 MHz) również nie jest możliwe realizowanie transmisji szerokopasmowych. Pasma te stosują systemy Big LEO świadczące podstawowe usługi telefoniczne, transmitujące krótkie wiadomości SMS (Short Mesaage Service) i umożliwiające lokalizację terminala, np. Irydium i Globalstar. Pasmo C (4 do 8 GHz) stosowane jest głównie w satelitarnych łączach dosyłowych. Nie przewiduje się jego stosowania w satelitarnych systemach multimedialnych. Pasmo K u (10 do 18 GHz) jest obecnie eksploatowane przez radiodyfuzję satelitarną. W pasmie tym pracuje również szereg systemów satelitarnych realizujących połączenia Internetowe. Planuje się stosowanie tego pasma w systemach szerokopasmowych do transmisji danych do abonenta. Kanał zwrotny (od abonenta) realizowany będzie w pasmie K a. Istnieją również rozwiązania stosujące pasmo K u do transmisji w obu kierunkach i wykorzystujące przestrzenną separację wiązek, np. system Skybridge. Umożliwia to zachowanie kompatybilności elektromagnetycznej systemu z innymi systemami satelitarnymi pracującymi w tych samych pasmach. Pasmo K u stosowane jest przez DirecPC, Astra Net, ARCS i jest wykorzystane do tworzenia szerokopasmowych systemów z możliwością wprowadzenia usług interaktywnych realizowanych w kanale zwrotnym w paśmie K a. Wprowadzane są również systemy interaktywne wykorzystujące właściwości kanału rozsiewczego DVB-S i kanału zwrotnego zbudowanego w oparciu o system VSAT. Terminal satelitarny VSAT wyposażony jest dodatkowo w odbiornik DVB-S. Systemy tego typu wykorzystują pasmo K u przypisane satelitarnej telewizji rozsiewczej i systemom VSAT. Przykładem tego typu rozwiązania jest system SkyBlaster firmy Gilat. Rys. 15. Terminal satelitarny systemu SkyBlaster firmy Gilat