PRZYSZŁOŚĆ TECHNIK SATELITARNYCH Przegląd perspektyw rozwoju technik satelitarnych i technologii kosmicznych w dwóch horyzontach czasowych: roku 2012 i 2020 Prof. dr hab. inż. Józef Modelski Instytut Radioelektroniki Wydział Elektroniki i Technik Informacyjnych PW

Plan prezentacji Rodzaje orbit satelitarnych Usługi stacjonarne Usługi ruchome Perspektywy rozwoju rynku usług satelitarnych Prognoza zapotrzebowania na usługi Przepustowość kanału transmisyjnego Standard emisji satelitarnej drugiej generacji DVB-S2 Telewizja cyfrowa Perspektywy uruchomienia radia satelitarnego w Europie Konkurencyjne systemy transmisji danych naziemne platformy stratosferyczne Podsumowanie

Rodzaje orbit satelitarnych Niskoorbitalne 700 - 1500 km (LEO -Low Earth Orbit ) Średnioorbitalne 10000 – 15000 km (Medium Earth Orbit - MEO) Geostacjonarne 35 810 km (Geosynchronous Earth Orbit - GEO) źródło: http://http://www.zsi.pwr.wroc.pl/missi2000/ Eliptyczne EEO, HEO HEO (ang. Highly Eliptical Orbit) Molnya ~12hr Tundra ~24hr źródło: http://en.wikipedia.org/wiki/Molniya_orbit

Rodzaje orbit satelitarnych Typ orbit LEO MEO GEO HEO Wysokość (km) 700 – 1500 10000 – 15000 36000 500- 50000 Konieczna liczba satelitów >40 (świat) 10 – 15 3 – 4 2-3 (region) Możliwość uruchamiania etapami Nie Tak Opóźnienie [s] 0,05 0,1 0,25 0,2-0,4 Kąt elewacji Niski średni – wysoki niski – średni wysoki Przełączanie połączeń Często Rzadko Nigdy Penetracja budynków Słaba Brak Penetracja centrów miast Średnia Średni Duża Możliwość używania terminali ruchomych

Rodzaje orbit satelitarnych - Wady GEO Duże opóźnienia Niski stosunek C/N (Carrier-to-Noise), bardzo duża bitowa stopa błędów (BER) Mała pojemność systemu, mała efektywność widmowa Duże tłumienie sygnału Konieczna duża moc stacji naziemnej przy transmisji do satelity Niska widoczność nad horyzontem na terytorium Polski Drogie i skomplikowane satelity, duża moc nadawania LEO : konstelacja w ciągłym ruchu pokrycie powierzchni Ziemi symetryczne względem równika brak wyróżnionych długości geograficznych małe, ale zmienne opóźnienia Duża awaryjność satelitów

Systemy satelitarne Głównie Telewizja... ale także dane oraz głos Problemy: duże opóźnienia duża wrażliwość na warunki atmosferyczne duże tłumienie propagacyjne Kanał Zwrotny Satelitarne Centrum Usług

Usługi stacjonarne FSS (Fixed Satellite Systems) radiodyfuzja DBS (Direct Broadcast Satellite) transmisja programów telewizyjnych (standard DVB-S/DVB-S2) oraz radiowych połączenia telefoniczne sieci transmisji danych VSAT (Very Small Aperture Terminal) transmisje okazjonalne sieć rezerwowa dla systemów naziemnych sieci specjalne: samoloty, pociągi, statki itp. szybki dostęp do internetu szerokopasmowe systemy interaktywne

Usługi ruchome MSS (Mobile Satellite Systems) łączność z obiektami ruchomymi (statki, samoloty, pojazdy naziemne): Inmarsat satelitarne systemy telefonii komórkowej: Iridium, Globalstar (orbity LEO) Thuraya, AceS (orbita GEO) systemy transmisji krótkich wiadomości: Orbcomm (orbity LEO, globalny)

Systemy satelitarne Transmisje interaktywne dwukierunkowa szerokopasmowa transmisja danych przez satelitę kanał zwrotny - pasmo Ka (30 GHz) specyfikacja DVB - RCS

Dochody rynku usług satelitarnych źródło: Clay Mowry, Nihar Shah, Arnold Friedman, Molly Freeland; “Satellite Statistics:An Examination by the Numbers”; Satellite 2006/

Pojemność satelitów wyniesionych w 2005 r. źródło: Clay Mowry, Nihar Shah, Arnold Friedman, Molly Freeland; “Satellite Statistics:An Examination by the Numbers”; Satellite 2006/

Prognoza zapotrzebowania na pojemność łączy źródło: Clay Mowry, Nihar Shah, Arnold Friedman, Molly Freeland; “Satellite Statistics:An Examination by the Numbers”; Satellite 2006/

Prognoza zapotrzebowania na usługi źródło: Clay Mowry, Nihar Shah, Arnold Friedman, Molly Freeland; “Satellite Statistics:An Examination by the Numbers”; Satellite 2006/

Zakresy częstotliwości stosowane w systemach satelitarnych Pasmo Częstotliwość [GHz] L 1,5-2,7 S 2,7-3,5 C (łącze w dół) 3,7-4,2 C (łącze w górę) 5,9-6,4 X (łącze w dół) 7,2-7,7 X (łącze w górę) 7,9-8,3 Ku (łącze w dół) 10,7-12,75 Ku (łącze w górę) 12,75-14,5 17,3-18,1 Ka (łącze w dół) 18,1-21,2 Ka (łącze w górę) 27-31 Q-V 36-51 Pasmo C anteny o średnicach 2 - 3 m Pasmo Ku anteny o średnicach ok. 1 m Pasmo Ka anteny o średnicach ok. 0.5 m Czym większa częstotliwość tym większe tłumienie trasy

Kanał radiowy Właściwości kanału radiowego: tłumienie sygnału opóźnienia zaniki efekt Dopplera zakłócenia Zasoby widmowe są dzielone pomiędzy wielu użytkowników Przykład: podział zakresu 300MHz – 3000MHz

Transmisja fal elektromagnetycznych przez atmosferę Usługi szerokopasmowe dla odbiorców wymagają zapewnienia szerokiego pasma transmisji. Szersze pasmo osiągnąć można jedynie zwiększając częstotliwość pracy systemu. Ograniczeniem są jednak zmienne warunki propagacji fali elektromagnetycznej na wyższych częstotliwościach. źródło: Marek Bromirski; Satelitarne systemy łączności

Transmisja fal elektromagnetycznych przez atmosferę Duży wpływ pogody w miejscu odbioru na tłumienie trasy Zwiększenie częstotliwości pracy zmniejsza pewność transmisji Rozwiązaniem jest zastosowanie algorytmów adaptacyjnych DVB-S2 W przypadku silnych opadów atmosferycznych konieczna jest zmiana częstotliwości pracy systemu. dB/km źródło: Marek Bromirski; Satelitarne systemy łączności

Przepustowość kanału transmisyjnego Claude Shannon Maksymalna przepływność binarną transmisji (szybkość transmisji wyrażoną w [bit/s]), przy której można uzyskać bezbłędny odbiór. C – przepustowość kanału [bit/s] B – pasmo [Hz] S,N – średnie moce sygnału i szumu (w pasmie B) tak wyznaczona wartość C - odpowiada maksymalnej (teoretycznej, nieosiągalnej w praktyce) szybkości transmisji w kanale (Shannon założył m.in. zastosowanie kodowania optymalnego oraz to, że jedynym czynnikiem degradacji odbieranego sygnału jest szum biały).

Przepustowość kanału transmisyjnego C – przepustowość kanału [bit/s] B – pasmo [Hz] S,N – średnie moce sygnału i szumu (w pasmie B) Efektywna szybkość transmisji w rzeczywistym kanale zależy nie tylko od S/N ale również od: sposobu kodowania i modulacji właściwości kanału radiowego

Nowy system emisji DVB-S2 DVB-S2 (Digital Video Broadcasting - Satellite - Second Generation) jest drugą generacją standardu transmisji satelitarnej W zależności od sposobu modulacji optymalnie działa on przy współczynniku C/N (carrier-to-noise) w granicach od –2.4 dB (modulacja QPSK 1/4) do 16 dB (używając modulacji 32APSK 9/10). Zastosowanie systemu DVB-S2 przy transmisji z kanałem zwrotnym, umożliwia zmianę parametrów w zależności od warunków propagacji. Tryby wstecznej kompatybilności ze standardem DVB-S Platforma cyfrowa grupy ITI „n” DVB-S2 / MPEG-4/AVC.

Wydajności Widmowa Systemu DVB-S2 źródło: Alberto Morello, Vittoria Mignone; DVB-S2— ready for lift off; RAI, Radiotelevisione Italiana; EBU TECHNICAL REVIEW – October 2004

Telewizja cyfrowa - DVB Standardy cyfrowej transmisji rozsiewczej (broadcast) DVB-S / DVB-S2 DVB-C DVB-T MPEG-2 MPEG-4

Telewizja wysokiej rozdzielczości HDTV Rozdzielczość 720 x 576 (405 000 pikseli) Tryb 4:3 (PAL) lub 16:9 (PALPlus) Wybieranie z przeplotem 50 półobrazów/sek Dźwięk analogowy lub cyfrowy Większe rozdzielczości niż w SD (dwa tryby 1080i oraz 720p) Ponad 2 000 000 pikseli (1080i) Tryb 16:9 Dźwięk cyfrowy wielokanałowy Dolby Digital AC3

Telewizja wysokiej rozdzielczości HDTV Obraz HD – 5 razy więcej pikseli niż SD Dwa standardy DVD dla HD HD DVD (720p, 1080i) Blue Ray (720p, 1080i, 1080p) Cechy trybów HDTV 720p – lepsze odtwarzanie scen dynamicznych (sport) Tryb 1080i – więcej detali dla obrazów nieruchomych

Prognoza struktury satelitarnych programów TV źródło: Clay Mowry, Nihar Shah, Arnold Friedman, Molly Freeland; “Satellite Statistics:An Examination by the Numbers”; Satellite 2006/

Prognoza struktury satelitarnych programów TV Na podstawie: Clay Mowry, Nihar Shah, Arnold Friedman, Molly Freeland; “Satellite Statistics:An Examination by the Numbers”; Satellite 2006/

Trójwymiarowa telewizja w 2020 roku? Koleją rewolucją techniczną umożliwiającą operatorom pozyskanie nowych klientów może być telewizja 3D. Telewizja satelitarna z uwagi na dużą pojemność będzie mogła jako pierwsza wprowadzić przekazy 3D Magnesem będzie sport. 23 listopada 2006 r w ramach Kongresu Technologicznego zapowiadany był publiczny pokaz możliwości projekcji 3D.

Rozwój standardów MPEG-2/MPEG-4 Strumień video w 2006 r. zgodnie DVB Projekt W 2015 r. przewidywane jest wprowadzenie nowego standardu kodowania strumienia video Zaletą kodowania MPEG-4/AVC jest bardzo dobra skalowalność w dużym zakresie przepływności Obecnie większości transmisji TV SAT MPEG-2 odbywa się z przepływnościami w okolicach 2-2,5 Mbit/s (kod. statystyczne) . Dużą role odgrywają tu czynniki ekonomiczne i cena wynajmu transpondera. Klienci nie przywiązują jeszcze dużej roli do jakości. Popularyzacja telewizorów HDTV zmieni tą sytuację 2006 2015 MPEG -2 SD 4,4 Mbit/s ---- MPEG – 2 HD 1080i 18 Mbit/s ---- MPEG – 4 SD 2,2 Mbit/s < 1Mbit/s MPEG – 4 HD 1080i 9 Mbit/s < 4Mbit/s

Rozwój standardów MPEG-2/MPEG-4

Kodowanie obiektowe Kolejne metody kodowania treści wizyjnych będą analizowały obraz i wyodrębniały poszczególne obiekty. Poszczególne części obiektów będą reprezentowane przez wektory krawędzi i tekstury. Obraz wynikowy będzie tworzony podobnie jak obecnie grafika 3D Zniknie pojęcie rozdzielczości, jedynym kryterium będzie ilość szczegółów w scenie. Strumień danych do odbiorcy będzie dynamicznie zmieniany w zależności od możliwości sprzętu i dostępnego pasma transmisji. Rewolucja w sposobie wyszukiwania treści. Będą możliwe zapytania typu: Wyszukaj wszystkie ujęcia ze Zbigniewem Bońkiem w meczu … Możliwość dynamicznej i indywidualnej zmiany widoku kamery. Łatwa integracja z telewizją 3D źródło: http://www.benchmark.pl

Porównanie pojemności systemów DVB-S i DVB-S2 Obecnie w jednym transponderze (MPEG-2 i DVB-S) mamy możliwość transmisji 7 programów przy jakości SDTV. Po zastosowaniu kodowania MPEG-4/AVC oraz systemu DVB-S2 liczba możliwych do nadawania programów wzrośnie do 26, przekłada się to na prawie 4 krotne zmniejszenie kosztów nadawania. Mamy również możliwość nadawania 6 programów HDTV (DVB-S2 i MPEG-4/AVC), koszt przyszłej transmisji programu HDTV jest porównywalny do obecnego SDTV Na podstawie: Alberto Morello, Vittoria Mignone; DVB-S2— ready for lift off; RAI, Radiotelevisione Italiana; EBU TECHNICAL REVIEW – October 2004

RADIO SATELITARNE Cyfrowe Radio Satelitarne odniosło wielki sukces w Stanach Zjednoczonych i rozwija się obecnie bardziej dynamicznie niż Internet. Sygnał radiowy XM radia nadawany jest z satelitów rozmieszczonych na orbitach geostacjonarnych. Transmisja odbywa się w paśmie S w kanale 2332,50 MHz - 2345,00 MHz. Drugą siecią radia satelitarnego działającą w USA jest Sirius. Satelity tego systemu poruszają się po orbitach eliptycznych HEO. Pracują one również pracują w paśmie S w zakresie częstotliwości 2320,00 MHz - 2332,50 MHz. źródło: http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Xm_sirius_subscribers.png źródło: EMPSA-MobileTVConference-Sept28-29LorientFrance-Complete.pdf

Zasoby widmowe rozważane dla emisji w Europie ZAKRES CZĘSTOTLIWOŚCI ROZWAŻANE PRZEZNACZENIE 1479 – 1492 MHz ITU przeznaczył dla BSS (radiodyfuzja satelitarna) CEPT ECC przeznaczył dla S-DAB 1467 – 1479 MHz ITU przeznaczył dla BSS CEPT przeznaczył dla T-DAB (Maastricht) Narodowe plany przydziału T-DMB i DVB-H 2170 – 2200 MHz ITU przydzielił na MSS (satelitarne usługi ruchome) CEPT przeznaczył dla MSS / S-UMTS Nowy przydział CEPT ECC spodziewany w 2007 r. 1500 MHz ITU przeznaczył dla MSS CEPT przeznaczył dla MSS Największe szanse w Europie ma emisja w paśmie 2170 – 2200 MHz przeznaczonym dla prac systemu S-UMTS, trwa jednak nadal dyskusja na temat możliwych do wykorzystania zasobów SES Global i Eutelsat Communications zainwestują w pierwszą, europejską infrastrukturę do radia cyfrowego. Satelita Eutelsat W2A 10E będzie pracował w paśmie S i zostanie wyniesiony na początku 2009 roku.

Konkurencja sieci naziemne WiMAX WiMAX Forum – organizacja dostarczycieli rozwiązań i użytkowników Profile dla mocy od 100 mW do 2W Konfiguracja: komórkowa P-P i P-MP Pasma pracy: licencjonowane 3.5 GHz nielicencjonowane 5.8 GHz Interfejs radiowy OFDM, 256 nośnych Przepływności: ok. 35-70 Mbit/s Zasięgi: 30 - 40 km dla transmisji zewnątrzbudynkowej 10 km dla transmisji wewnątrzbudynkowej 3.5 GHz

WiMAX – Zastosowania Hot Spoty Wi-Fi Stacja bazowa WiMAX Pokrycie sieci WiMAX Hot Spoty Wi-Fi WiMAX – Zastosowania 4 Sieć rdzeniowa Przenośne łacze radiowe P-P połączone ze stacją bazową WiMAX Stacja bazowa WiMAX WiMAX (zasięg transmisji wewnątrzbudynkowej) Dedykowany zasięg WiMAX Zasięg WiFi – zwiększenie pokrycia zewnątrzbudynkowej)

Systemy stratosferyczne HAPS Interaktywne systemy pracujące w oparciu o maszyny latające Statki powietrzne, balony, sterowce Multimedialne transpondery satelitarne Przetwarzanie sygnałów na pokładzie (elastyczność) Regeneracja sygnału (modulacja, kodowanie) Przełączanie pakietów Routing Przełączanie wiązek

Systemy stratosferyczne HAPS 47 GHz Dostawca usług Obszar pokrycia Internet

Systemy HAPS Przydział pasma – 600 MHz na częstotliwościach 47 GHz. Stacja umieszczona na platformie 20 km nad ziemią. W porównaniu z siecią naziemną prosta, tańsza infrastruktura, szybsza realizacja, lepsze warunki propagacyjne, większa pojemność. W porównaniu z systemami satelitarnymi większa pojemność, lepsze parametry łącza (tłumienie, opóźnienie), niższy koszt realizacji, szybka realizacja, możliwość realizacji. źródło: NASA

Systemy satelitarne przewidywane kierunki rozwoju radiodyfuzja programy telewizyjne (standard DVB-S2, HDTV) i radio satelitarne Usługi dodatkowe - telemarketing systemy transmisji danych szybki internet, przewidywany dalszy rozwój transmisji jednokierunkowej z satelitów geostacjonarnych interaktywne szerokopasmowe z kanałem zwrotnym przez satelitę LEO sieci VSAT przewidywane zastosowanie w Polsce tylko w specjalnych zastosowaniach (łącza zapasowe), wyparte zostaną przez sieć naziemną typu WiMAX systemy łączności ruchomej systemy satelitarnej telefonii komórkowej na obszarach bez infrastruktury stałej systemy łączności z obiektami ruchomymi: samolotami, samochodami systemy łączące pokładowe sieci bezprzewodowe WLAN z siecią szkieletową realizowaną przez satelitę