Wojskowe systemy łączności satelitarnej autor: Marek Bykowski

Plan prezentacji Wprowadzenie Przedstawienie łączności satelitarnej na przykładzie wojskowego systemu NATO Przykłady innych wojskowych systemów łączności satelitarnej Propozycje łączności satelitarnej w WP

I. Wprowadzenie

Zalety łączności satelitarnej szybkość implementacji globalny obszar pokrycia wysoka jakość łączy duże szybkości transmisji niezależność kosztów wymiany informacji od odległości ich przekazu uniezależnienie się od stanu naziemnej infrastruktury telekomunikacyjnej zamknięty charakter sieci

Częstotliwości przekazu Zakresy częstotliwości systemów satelitarnych Oznaczenie pasma satelitarnego Częstotliwości przekazu „w górę”/ „w dół” [GHz] L 1,6 / 1,5 C 6 / 4 X 8 / 7 Ku 14 / 12 K 17 / 12 Ka 30 / 20 Pasmo Częstotliwości [MHz] VHF 30 – 300 UHF 300 – 3GHz

Schemat blokowy naziemnej stacji satelitarnej Przewód koncentryczny Tor nadawczy Promiennik SSPA Mieszacz Mieszacz Modulator/ koder We OMT Demodulator/ dekoder LNA Mieszacz Mieszacz IF  1GHz IF  70MHz LNC Tor odbiorczy OMT – układ rozdzielający fale przychodzącą od wychodzącej wykorzystujący ortogonalne mody wzbudzane w urządzeniu LNC – konwerter niskoszumny F=0,6dB SSPA – półprzewodnikowy wzmacniacz mocy

OMT Promiennik Filtr odb. LNC

Układy odbiorczo-nadawcze na pokładzie satelity Przykład satelita NATO IV Przed wzm. Wzm. kanału 1 Down Konwerter TWTA 1 CH 1 Wiązka nr 1 Earth RX Wzm. kanału 2 Down konwerter TWTA 2/4 CH 2 Wiązka nr 2 Wzm. kanału 3 Down konwerter TWTA 3 CH 4 Wiązka nr 3 Wzm. kanału 4 CH 3 Wiązka nr 4 UHF MUX UHF RX Wzm. 1 Wiązka pomiaru mocy Pomiar mocy Wzm. 2 UHF TX/RX TWTA – wzmacniacz z falą bieżącą

Wzmacniacze mocy Półprzewodnikowy wzmacniacz mocy (SSPA – Solid State Power Amplifier) moc wyjściowa w zakresie od 5 do 100W Wzmacniacz z falą bieżącą (TWTA – Travelling Wave Tube Amplifier) moc wyjściowa w zakresie od 100 do 2kW Wzmacniacz TWTA o mocy 300W

Orbity satelitarne Rodzaje orbit satelitarnych: HEO (Highly Eliptical Orbit) - perygeum 3-5 tys. km, apogeum 25-45 tys. km., czas obiegu ok. 3 godz. LEO (Low Earth Orbit) - odl. 200-1200 km, czas obiegu ok. 100 min. MEO (Medium Earth Orbit) - odl. 10 tys. km, czas obiegu od 6 do kilkunastu godz. GEO (Geostationary Earth Orbit) - odl. 36 tys. km, 24 godz.

Opóźnienia transmisji Satelita GEO Satelita MEO Satelita LEO

II. Przedstawienie łączności satelitarnej na przykładzie wojskowego systemu NATO

Systemy wojskowe w porównaniu od systemów cywilnych powinny się dodatkowo cechować: możliwością utajniania informacji COMSEC i transmisji TRANSEC zwiększoną odpornością na impulsy e-m (EMP – Electromagnetic Pulses) zwiększoną odpornością na zakłócenia celowe (jamming) i środowiskowe

Historia satelitów NATO 67 68 69 70 71 72 80 79 78 77 76 75 74 73 85 84 83 82 81 86 90 89 88 87 95 94 93 92 91 96 99 98 97 00 01 02 03 04 05 NATO I NATO IIA NATO IIB NATO IIIA NATO IIIB NATO IIIC NATO IIID NATO IVA NATO IVB NATO V ?

Segment kosmiczny i naziemny

Konstelacje satelitów NATO Konstelacje satelitów NATO IV B 20.2° W NATO IV A 17.8° W NATO III D 18° W

Wygląd satelity NATO IV

Zakresy częstotliwości kanał 1 135 MHz kanał 2 85 MHz kanał 3 60 MHz kanał 4 7975 8110 8145 8230 8255 8315 8340 8400 7250 7385 7420 7505 7530 7590 7615 7675 Transmisja „w górę” (MHz) „w dół” Wiązka nr 1 Wiązka nr 2 Wiązka nr 4 Wiązka nr 3

Obszary pokrycia Legenda Wiązka nr 4 Wiązka nr 1 Wiązka nr 2

Rodzaje terminali satelitarnych małe PTS duże STS duże PTS – Przewoźne Terminale Satelitarne STS – Stacjonarne Terminale Satelitarne

Rodzaje anten satelitarnych oraz ich charakterystyki promieniowania (zgodność ze STANAG 4484)

Antena paraboliczna F Promiennik Reflector Promiennik Reflector Szum luminancji Ziemi Kąt elewacji Pow. Ziemi

Kąt offsetu Antena offsetowa Reflektor F Reflektor F Offset + mechaniczny kąt elewacji = kąt elewacji Reflektor F

Charakterystyka promieniowania anteny Zgodność ze STANAG 4484 Pasmo X: Dla D/  50. G() z prawd. 90% nie powinno przekraczać: [G()]dB = 29-25 log10 (dBi), dla 1 lub 100  /D (bierzemy większą wart.)    20 ° [G()]dB = -3.5 (dBi), dla 20 <  26.3° [G()]dB = 32-25 log10 (dBi), dla 26.3 <   48° [G()]dB = -10 (dBi) dla 48  <   180 Dla D/  < 50. G() z prawd. 90% nie powinno przekraczać: [G()]dB = 32-25 log10 (dBi), dla  /D <   48° [G()]dB = -10 (dBi) dla 48  <   180

Charakterystyka promieniowania anteny dla kąta offsetu w zakresie [0 º, 5º] przykład z anteną paraboliczną o =0.6, D=2.4m, f=8 GHz

Charakterystyka promieniowania anteny dla kąta offsetu w zakresie [0 º, 60º] przykład z anteną paraboliczną o =0.6, D=2.4m, f=8 GHz

Kodowanie kanałowe (FEC) i modulacje

Sposoby kodowania kanałowego (FEC) i rodzaje modulacji Stosowane kody nadmiarowe: kody splotowe o  = 7/8, 3/4, 2/3, 1/2 kody blokowe najczęściej Reeda Salomona o  = 199/255 Rodzaje modulacji: modulacje fazy (BPSK, QPSK, OQPSK, 8PSK, 16PSK) modulacje częstotliwości (MSK, 8FSK, GMSK) Skuteczność wykorzystania widma : Rb – szybkość bitowa B – szerokość pasma

Szybkość symbolowa, a szybkość bitowa  kodowania = bit na wejściu kodera do odpowiadającej mu liczby bitów na wyjściu kodera  modulacji = liczba bitów przypadających na jeden symbol Przykłady koder splot.  kodowania =1/2 koder splot.  kodowania = 1/2 w połączeniu z Reed Solomon [255,199]  kodowania =1/2*199/255 Es = energia przypadająca na jeden symbol Es = Eb *  kodowania *  modulacji Przykłady  modulacji = 1 dla BPSK,  modulacji = 2 dla QPSK ,OQPSK  modulacji = 3 dla 8 PSK, 8FSK  modulacji = log2(n) dla nPSK, lub nFSK Rs = szybkość symbolowa Rs = Rb / ( kodowania *  modulacji )

Wpływ kodowania nadmiarowego na Eb/No

Gęstość widma mocy sygnałów zmodulowanych OQPSK i MSK wiązka główna zawiera 92,5 % mocy sygnału listek b. ma o 13,3dB mniejszą moc od listka gł. MSK: wiązka główna zawiera 99,5 % mocy sygnału listek b. ma o 23dB mniejszą moc od listka gł.

Techniki dostępu wielokrotnego

Możemy wyróżnić trzy rodzaje technik dostępu wielokrotnego: FDMA (Frequency Division Multiple Access) TDMA (Time Division Multiple Access) CDMA (Code Division Multiple Access) Oraz protokoły dostępu wielokrotnego: stałe (fixed assigned) rywalizacyjne (contention/random access), np. Pure Aloha, Slotted Aloha, SREJ Aloha rezerwacyjne (reservation/controlled access), np. DAMA, rezerwacja z lokalną synchro- nizacją, z dostępem: Pure Aloha, SREJ Aloha

Produkty intermodulacji i poziom szumów FDMA FDMA: łatwość realizacji oraz niskie koszta związane z implementacją, konieczność zapewnienia należytej separacji pomiędzy pasmami. wiele nośnych na wejściu wzmacniacza transpondera o różnych poziomach mocy może wysterować go w obszar pracy nieliniowej #1 #2 #j #n Produkty intermodulacji i poziom szumów Podział pasma na podpasma, gdzie typowo najwęższe podpasma alokuje się w środku dzielonego pasma

TDMA TDMA: wszystkie terminale pracują z tymi samymi prędkościami konieczność zapewnienia synchronizacji Przykład. Rb = 128kbit/s, koder splotowy  = 1/2, modulator QPSK Rs = Rb / ( kodowania *  modulacji ) = 128 / (1/2 * 2) = 128kbit/s Rs z wykorzystaniem jednej szczeliny ramki TDMA = 1/8 * 185 * 8/(13,185m)  42 kbit/s Maksymalna szybkość transmisji z wykorzystaniem wszystkich 7 szczelin wynosi ok. 98kbit/s

Sposób postępowania przy wyznaczaniu tzw Sposób postępowania przy wyznaczaniu tzw. bilansów (budżetów) energetycznych

Transmisja od jednej stacji końcowej do drugiej stacji końcowej SATELITA TELEKOMUNIKACYJNY Antena Antena odbiorcza nadawcza Zakłócenia od Transmisja innych systemów Szum termiczny „w dół” satelity Zakłócenia od Transmisja innych satelitów „w górę” Promieniowanie Ziemi Promieniowanie nieba STACJA NADAWCZA STACJA ODBIORCZA

Szumy i zakłócenia w łączu satelitarnym Źródła szumów: promieniowanie słońca, obiektów galaktycznych, itp. promieniowanie Ziemi Sygnały zakłócające: Wytwarzane przez inne systemy radiokomunikacyjne: naziemne satelitarne Szumy intermodulacyjne: Istotne są jedynie produkty intermodulacyjne nieparzystego rzędu. Modelować je możemy za pomocą addytywnego gaussowskiego szumu białego. Szumy i zakłócenia nakładają się na sygnał użyteczny w łączu: Ziemia-Satelita Satelita-Ziemia Satelita-Satelita

rm Wyznaczanie EIRP P P0 A S’ Gęstość strumienia mocy Moc rozwijana w antenie odbiorczej o pow. S Źródło mocy Antenna Gain Tłumik rm P P0 A S’

1 2 1 2 Wyznaczanie współczynnika przydatności anteny G/T Antenna Tłumienie l. łącznikowej (duplexer, connector,filter …) LNA 1 2 tłumik A FLNA , Tant Obliczenia w punkcie (antena) 1 Obliczenia w punkcie (antena) 2

Waga 12.5kg Średnica 748mm EIRP od 31.2 do 40.2dBW G/T 6.3dB/K Szer. wiązki głównej 3.6º

Średnica 1.8m G/T 17.5dB/K EIRP 65dBW Mechanizm automatycznego pozycjonowania

Średnica 4.8m Zysk antenowy 50dBi G/T 26dB/K EIRP 83dBW

Bilans energetyczny łącza „w górę” d EIRPter u Latmos Terminal Satelita Pow. skuteczna anteny (Lfree_space dla SHF GEO, wynosi około 200 dB) (  Cu jest niezależne od częstotliwości)

Bilans energetyczny łącza „w dół” i całkowity bilans energetyczny EIRPd= Cu Gtransp GTxsat EIRPd u dPS Latmos d Satellite Terminal Pow. skuteczna anteny Latmos = Ldeszcz*Linne Całkowity bilans energetyczny

Zależności mocy od energii Zależności Eb/N0 od C/N0 na wejściu odbiornika satelitarnego (po przebyciu przez sygnał trasy Ziemia-Satelita-Ziemia)

Obszar pokrycia wyrażony w szerokości wiązki promieniowania 3 1 Zakres częstotliwości praca góra/dół 6,2/4 14,2/11,7 Średnica anteny stacji naziemnej [m] 3 4,5 2 EIRPU (dBW) Moc P (W) Tłumienie trasy L (dB) G/TT satelity (dB/K) C/N0 na satelicie (dBHz) 46,8 2,2 200 2,2  77,1   42,2 0,35 72,5 56,4 8,3 207,3 76,7 53,1 0  73,4 37,4 0,25 7,4  72,9 48,7 1,4 8,6  77,6 Tłumienie opadowe (dB) Tłumienie trasy (dB) C/N0 na satelicie(dBHz) 6,9 196,2 18,7 57,5 3,6 22,2  57,7 17,1 205,5 19,3 55,5 13,8 19,3  55,7 6,0 18,7  56,6 57,1 Stosunek C/N0 dla całej trasy (dBHz) 54,8 55,2 55,0 55,1 Liczba stacji mogących pracować w paśmie ze względu na moc i pasmo nadajnika pokładowego satelity 550 1000 75 160 1200 400

III. Przykłady innych wybranych wojskowych systemów łączności satelitarnej DSCS III (USA) UFO (USA) FLTSATCOM (USA) MILSTAR (USA) SYRACUSE 2 (Francja) SECOMSAT (Hiszpania) SICRAL (Włochy)

DSCS III

DSCS III 4 satelity krążące po orbicie GEO pasmo SHF każdy z satelitów posiada: 19 wiązek nadawczych 61 odbiorczych usługi: głos (dupleks) i dane przeciwdziałanie zakłóceniom: detektor poziomu zakłóceń regulowana charakterystyka promieniowania anteny

Regulowana charakterystyka promieniowania anteny (zerowanie mocy na określonym kierunku promieniowania - ang. in-beam nulling) Zakłócenie o mocy 20 dB Zakłócenie o mocy 40 dB Zakłócenie -40.0dB -20.0dB 0.0 dB Zakłócenie -40.0dB -20.0dB 0.0 dB zmiana charakterystyki promieniowania anteny Zmiana ułożenia anteny w przestrzeni

DSCS III Parametry łącza „w górę” A1 – antena wielowiązkowa A2 – antena jednowiązkowa EIRP w łączu „w dół” zawierają się w zależności od rodzaju anteny w przedziale od 25dBW do 44dBW

UHF Follow-On (UFO)

UHF Follow-On (UFO) UHF: 10 satelitów krążących po orbicie GEO TDMA/DAMA 21 kanałów 5kHz (moc transpondera 25dBW) 17 kanałów 25kHz (moc transpondera 20dBW) 1 kanał 25kHz rozsiewczy Pasmo Ka: 4 transpondery o mocy 130W każdy szybkość transmisji do klikudziesięciu kbit/s

IV. Propozycje łączności satelitarnej w WP

Proponuje się wykorzystanie systemów GEO ze względu na niskie koszta eksploatacyjne i globalny obszar pokrycia poza obszarami podbiegunowymi. Przewiduje się wykorzystanie łączności satelitarnej w następujących przypadkach: do łączności bezpośredniej z komórką strategiczną (NATO) do transmisji dużych ilości informacji na znaczne odległości do łączności z jednostkami znajdującymi się poza granicami kraju w celu dowiązania jednostek oderwanych od systemu radiowo-radioliniowo-przewodowego Analiza potrzeb w zakresie liczby terminali: dla DZ 3 terminale (2 dla SD, 1 dla TSD) dla dwóch BZ po 3 terminale (po 2 dla SD i po 1 dla TSD) dla BPanc 3 terminale (2 dla SD, 1 dla TSD) dla pa 2 terminale (1 dla SD, 1 dla TSD) dla paplot 2 terminale (1 dla SD, 1 dla TSD) Łączna liczba terminali w takim przypadku wynosi 16

Dziękuję za uwagę pytania/ odpowiedzi

Wybrane problemy łączności satelitarnej

Utajnianie informacji COMSEC i transmisji TRANSEC Satelita Modem MUX szyfrator koder przeplatacz modulator rozpraszacz interfejsy Modem deszyfrator dekoder rozplatacz demodulator skupiacz MUX NSS NSS – Naziemna Stacja Satelitarna

Wpływ wybuchów jądrowych na łączność satelitarną Wybuchy jądrowe w jonosferze są przyczyną powstawania obszarów o zwiększonej gęstości elektronowej. Obszary te powodują zwiększoną absorpcję i dyspersję sygnału radiowego. Skutkiem tego mogą być czasowe przerwy w łączności satelitarnej.

Rozproszenie sygnału Sygnał w kanale satelitarnym możemy modelować rozkładem Rayleigh’a lub Rice’a. Zaniki w kanale możemy podzielić na: szybkie lub wolne ze względu na częstość ich występowania, płaskie lub selektywne ze względu na długość ich trwania. Dla przykładu, prawdopodobieństwo zaniku sygnału Rayleigh’owskiego poniżej poziomu: 10dB względem ask wynosi 10%, 20dB względem ask wynosi 1%, 30dB względem ask wynosi 0,1. ask – wartość skuteczna obwiedni sygnału

Ilustracja powstawania zaników w kanale zaniki t0 amplituda sygnał zaniki czas Sposoby zapobiegania zanikom: nadawanie z określonym marginesem interferencyjnym, zastosowania zaawansowanych technik modulacji, kodowania i przeplotu.

Margines sygnału dla zaników Rayleigh’owskich (przypadek kanału bez kodowania) 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 5 10 15 20 25 Required margin in dB Fraction availability 90 % availability 10 dB margin no FEC 100% 90% 80% prawdopodobieństwo 90% wymagany margines interferencyjny 10dB 70% Prawdopodobieństwo niezakłóconego odbioru 60% 50% 40% Model Rayleigha model sygnalu calkowicie rozproszonego z zanikami Model Rice model sygnalu przy rozproszeniu niecalkowitym z zanikami płytszymi 30% 20% 10% 0% 5 10 15 20 25 Margines interferencyjny sygnału wyrażony w Eb [dB]

Wpływ kodowania kanałowego na zaniki Rayleigh’owskie oraz na zakłócenia AWGN 1.E-01 AWGN 1.E-02 AWGN + FEC Rayleigh Rayleigh + FEC 1.E-03 1.E-04 Pb 1.E-05 1.E-06 Dla BER w zakresie od 10-5 do 10-6 w wyniku kod. FEC otrzymano: zysk ok. 4 - 5dB w kanale AWGN zysk ok. 35 - 45dB w kanale z zanikami Rayleigh’a 1.E-07 1.E-08 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Średnie Eb/N0

Przykłady naziemnych stacji satelitarnych

Prototypy terminali przewoźnych

Dodatki

SHF UHF EHF NATO IV SNSN SNSN PNST     EHF SNSN SNSN PNST     SSN – Stacjonarna Naziemna Stacja Satelitarna PST – Przewoźna Naziemna Stacja Satelitarna

Zakłócenia w łączu „w górę” Najczęściej spotykane rodzaje zakłóceń: szum kosmiczny ciągła falą sinusoidalną (UHF, SHF, EHF). Sposoby przenoszenia zakłóceń: w łączu „w górę”, w łączu „w dół”, w łączu międzysatelitarnym. Zakłócenie Przykład zakłócania Sposoby zabezpieczeń: zwiększenie mocy nadawczej, transmisje DS-SS i FH, stosowanie zaawansowanych techniki modulacji, kodowania i przeplotu, niszczenie „zagłuszaczek”.

Satelita telekomunikacyjny Funkcje telekomunikacyjne Część nadawcza: komutacja modulacja zmiana polaryzacji wzmocnienie filtracja emisja mocy Część odbiorcza: filtracja wzmocnienie przemiana częstotliwości demodulacja Funkcje platformy satelitarnej: sterowanie silnikami kontrola wysokości orbity kontrola termiczna telepomiary system zasilania

+ Schemat blokowy terminala satelitarnego 700 MHz 1-rwszy Up konwerter HPA 2-gi Up konw 1-rwszy Up konwerter + modem LNA 1-wszy Down Down Konwerter 70 MHz 700 MHz HPA – wzmacniacz wysokiej mocy

System kontroli mocy Centrum Kontroli MODEM MODEM HPA MODEM LNA MODEM MUX MODEM Miernik Mocy MODEM MUX Odb. Nadajnik syg. testowych Eb/N0 Odbiornik syg. testowych MUX MODEM HPA MUX MODEM LNA MUX MODEM Centrum Kontroli

Szerokość Nyquist’a : 128kHz Gęstość widma mocy ramki TDMA Szerokość Nyquist’a : 128kHz

Wyznaczenie maksymalnych prędkości transmisji dla użytkownika końcowego

Wyznaczenie przepływności R w kanale satelitarnym Ograniczenie stanowią: dostępna szerokość pasmo transpondera, maksymalna moc transpondera. Rpasmo = Bkanału / ( Fmod * FFEC * Fodstęp ) (bps) Przykład: QPSK, R=1/2, 10 % odstępu Fmod=0.7, FFEC=2, Fodstęp=1.1 Rpasmo = Bkanału / 1.54 Rmoc = EIRPNas - BO - TXoff - DL + G/T - k - Eb/N0 (dBbps)

EIRP w pojedynczym kanale = EIRPNas - 6 dB Eb/N0 = 10 dB Nr kanału 1 2 3 4 Szerokość kanału B (MHz) 135 85 60 60 Rpasmo (Mbps) 87.7 55.2 39.0 39.0 EIRP w poj. kanale (dBm) 61 61 57 64 Rmoc (Mbps)         RX G/T=33 dB/K 114.8 114.8 45.7 229.1 RX G/T=26 dB/K 22.9 22.9 9.1 45.7 RX G/T=20 dB/K 5.8 5.8 2.3 11.5 EIRP w pojedynczym kanale = EIRPNas - 6 dB Eb/N0 = 10 dB LFS = 202 dB k = -198.6 dB J/K

EIRPNas = EIRPNSS - UL + GRX - RXoff + Gtransp + GTX + G (dB) Wyznaczenie przepływności w kanale satelitarnym dla terminala końcowego EIRPNas = EIRPNSS - UL + GRX - RXoff + Gtransp + GTX + G (dB) R = EIRPNas - TXoff - DL + G/T - k - Eb/N0 (dBbps) Gtransp EIRPNSS UL GRX GTX DL G/T Terminal końcowy

Zależność przepływności R w kanale satelitarnym od G/T duża 116 dBm średnia 107 dBm mała 92 dBm Duży Średni Mały Szerokość pasma transpondera B 20 30 40 50 60 70 80 90 100 2 4 6 8 10 12 14 16 18 22 24 26 28 32 34 36 38 G/T [dB/K] Przepływność [dBbps]