BOLYAI JÁNOS KATONAI MŰSZAKI FŐISKOLA
SZEMÉLYI KOMMUNIKÁCIÓS RENDSZEREK
- 1998 BOLYAI JÁNOS
1
KATONAI MŰSZAKI FŐISKOLA
SZEMÉLYI KOMMUNIKÁCIÓS RENDSZEREK TANULMÁNY Készítette: Sallai József mk. alezredes, főiskolai docens Ferenczy Gábor mk. őrnagy, főiskolai docens Szűcs Péter mk. őrnagy, főiskolai tanársegéd Balog Károly mk. százados, főiskolai tanársegéd Lektorálta: Poroszlai Ákos mk. alezredes, főiskolai docens
- 1998 -
TARTALOMJEGYZÉK
2
..................................................................................................................................... 2 TARTALOMJEGYZÉK .............................................................................................. 2 BEVEZETÉS ............................................................................................................... 3 1. ANALÓG CELLÁS RÁDIÓTELEFON-RENDSZER ........................................... 4 1. 1. A mobil cellás telefon-rendszer felépítése ....................................................... 4 1. 2. Roaming, handover, regisztráció, jelzésrendszer ............................................ 6 1. 3. Forgalmihívás-típusok ..................................................................................... 7 1. 4. A rendszer szolgáltatásai ................................................................................. 7 2. DIGITÁLIS CELLÁS RÁDIÓTELEFON-RENDSZER ........................................ 8 2. 1. A GSM rendszer fontosabb paraméterei .......................................................... 9 GSM rendszer fontosabb paraméterei.................................................................. 9 Rendszer............................................................................................................... 9 2. 2. A GSM rendszer felépítése .............................................................................. 9 2. 3. A cellás rádiórendszerek belső funkciói ........................................................ 11 2. 4. A GSM főbb szolgáltatatásai ......................................................................... 11 3. A DECT RENDSZER............................................................................................ 12 3. 1. DECT szolgáltatások és felhasználások ........................................................ 13 Átviteli minőség, tulajdonságok ............................................................................ 13 3. 2. Alkalmazási alapelvek ................................................................................... 14 3. 3. A DECT rendszer főbb rendszertechnikai adatai a következők: .................. 14 3. 4. Hazai alkalmazások ....................................................................................... 14 3. 5. Vezeték nélküli terminál mobilitás ................................................................ 14 4. PAGING RENDSZEREK ..................................................................................... 15 4. 1. A rádió paging rendszerek feladata és fejlődése............................................ 15 4. 2. A paging rendszerek elterjedését elősegítő tényezők .................................... 16 4. 3. Rádió paging rendszerek rendszertechnikája................................................. 17 5. MŰHOLDAS SZEMÉLYI KOMMUNIKÁCIÓ .................................................. 18 5. 1. Mesterséges holdpályák és jellemzőik........................................................... 19 5. 2. Alkalmazott műholdpályák, tulajdonságaik .................................................. 23 5. 3. Műholdas-cellás szolgáltatások ..................................................................... 25 5. 4. Kettős-üzem problémái .................................................................................. 26 5. 5. Összekötő vételtöbblet ................................................................................... 26 5. 6. Frekvencia tervezés ....................................................................................... 27 5. 7. Technikai feladatok.................................................................................... 28 5. 8. Rendelkezésre állás számítás ......................................................................... 29 6. MEGVALÓSÍTÁS ALATT ÁLLÓ RENDSZEREK ............................................ 33 6. 1. Inmarsat P rendszer ........................................................................................ 33 6. 2. Globalstar rendszer ........................................................................................ 33 6. 3. Iridium rendszer ............................................................................................. 35 6. 4. Teledesic rendszer ......................................................................................... 37 6. 5. Odyssey rendszer ........................................................................................... 38 6. 6. Little LEO rendszerek.................................................................................... 39 FÜGGELÉK .............................................................................................................. 40 Felhasznált irodalom .................................................................................................. 44
BEVEZETÉS
3
A "Személyi kommunikációs rendszerek" című tanulmány a teljesség igénye nélkül kívánja bemutatni ezen rendszereket. A tanulmány 'Mobil rádió rendszerek" című tantárgy bevezetése kapcsán készült, alapként szolgálna ezen tantárgy bevezetésénél. A mű az analóg rádiótelefonok, digitális rádiótelefonok, DECT, Paging rendszerekkel valamint a műholdas személyi kommunikációs rendszereket mutatja be.
1. ANALÓG CELLÁS RÁDIÓTELEFON-RENDSZER A nyilvános, közcélú digitális rádiótelefon-technika kialakulása több analóg rádiótelefon-rendszer megjelenésén keresztül történt, melyek a következők: • • • • • •
Radiocom 2000 (Franciaország) NET-C (Németország) IMTS (Olaszorsazág) AMPS (USA) TACS (Anglia) NMT (Skandináv országok)
A felsorolt rendszerek közül az NMT (Nordic Mobile Telefone) rendszer került bevezetésre Magyarországon, ezért a tanulmány ezen rendszeren keresztül kívánja bemutatni a cellás rádiótelefon-rendszer működését.
1. 1. A mobil cellás telefon-rendszer felépítése A mobil cellás automatikus rádiótelefon-rendszerek közül az NMT rendszer került bevezetésre hazánkban, melyet a Westel Rádiótelefon Kft. üzemeltet. A rendszer mozgószolgálati kapcsolóközpontokból, bázisállomásokból, átviteli utakból és mozgó előfizetőkből áll. A cellás rendszer fontos része a nyilvános kapcsolt telefon hálózatokhoz (PSTN Public Switched Telefone Network) történő hozzákapcsolást biztosító átlépő központ a getaway. A cellás rendszer belső és külső funkcióihoz az úgynevezett No. 7 jelzésrendszert alkalmazza, amely biztosítja a rendszer megfelelő működését. A következő ábra bemutatja az NMT rendszer felépítését:
MS MSC
4
MSC Mobile Switching Center
Mozgószolgálati kapcsolóközpont
BS
Bázisállomás, egy vagy több duplex RF csatornával
Base Station
MS Mobil Subscriber
Mozgó előfizető
PLMN Public Land Mobile Network
Közcélú Földi Mobil Hálózat
Ellátott terület: A bázisállomások celláinak összegeként fogható fel. Egy állomás ellátott területét hatszög alakú cellával közelítik. A tényleges ellátott terület valamilyen szabálytalan zárt görbével adható meg. A rendszer működését a mozgószolgálati kapcsolóközpont MSC vezérli. Körzetének nagysága függ az előfizetők várható számától és a forgalom becsült nagyságától. Az MSC egy korszerű digitális kapcsolóközpontból és a hozzá csatlakozó mobil telefon alrendszerből (MTS Mobile Telefon System) áll. Az arra kijelölt MST tartalmazza azt az interfészt, amely kapcsolatot teremt a PSTN felé. Ezeket a kapcsolóközpontokat hívják G-MSC (Gateway – MSC) átlépő kapcsolóközpontoknak. Ez kezeli a mobil előfizetők és a PSTN előfizetők forgalmát mind belföldi mind külföldi viszonylatban, továbbá az összeköttetés felépítéséhez szükséges jelzéstechnikai funkciókat is nyújt. A mobil előfizetők egymás közti forgalmát a többi MSC bonyolítja. Egy országos rendszeren belül az MSC központok száma 10-es nagyságrendű lehet.
5
Egy meghatározott terület (ország, országrész) rádiós ellátásához bázis állomásokat (BS) telepítenek, amelyek száma egy országos rendszer esetén (földrajzi viszonyoknak megfelelően) 100-as nagyságrendű is lehet. A bázisállomások az MSC felé interfészeket, a mobil állomások felé csatornaegységeket tartalmaznak. A csatornaegységek rádióadókból és rádióvevőkből, valamint vezérlőegységekből állnak. A vezérlőegység feladata az MSC és a BS közötti adatkommunikáció, valamint a rádiós szakasz jelzéseinek vezérlése a mobil állomások (MS) és a BS egységek között. A csatornaegységek zöme beszédcsatorna-egység. Egy csatornaegység egyidejűleg egy hívás (beszéd) átvitelére alkalmas. Minden bázisállomás valamelyik MSC-hez csatlakozik. A bázisállomás adóantennája lehet körsugárzó vagy szektorsugárzó. Így egy bázisállomás egy vagy több cellát képes ellátni. A szektorsugárzók rendszerint 120°-os szektort látnak el. A szektorsugárzók alkalmazása a nagyobb fajlagos forgalmú területeken indokolt. A mozgóállomások (MS) lehetnek hordozhatók, kézi vagy zsebben hordozható készülékek vagy járműbe szerelhető mozgó állomások, de lehetnek állandóhelyű vagy változó telephelyű készülékek is. Ezek másnéven az előfizetői készülékek, melyek rádióadó és rádióvevővel, valamint logikai egységből, billentyűzetből, mikrofonból és hallgatóból épülnek fel.
1. 2. Roaming, handover, regisztráció, jelzésrendszer Az NMT rendszer megengedi, hogy az előfizető az ellátott területen belül szabadon mozoghasson. Az NMT rendszer teljes ellátott területe az MSC csomópontokhoz rendelt ellátott területekből áll. Az egyes MSC körzetek ellátott területe helyzetkörzetekre van osztva. Így az egyes MSC ellátott területek több helyzetkörzetből állnak. Egy-egy helyzetkörzeten belül több cella létezhet. A rendszer a helyzetkörzeten belüli elhelyezkedő cellákban tartózkodó mozgó állomást paging-jellegű kereséssel találja meg a rendszer. Ha a mozgó állomás átmegy egyik helyzetkörzetből a másikba, informálni kell az MSC központot az új helyzetkörzetről. A rendszer ezt automatikusan végzi, az előfizető beavatkozása nélkül. Ezt a folyamatot nevezzük helyzetkörzet-regisztrációnak. A mozgó állomások adatregisztrációs értelemben valamelyik MSC-vel vannak kapcsolatban. A mozgó állomás (MS) ebben az MSC-ben honos és így ezt nevezik honos kapcsolóközpontnak (MSC-H Home exchange). Ha a mozgó állomás másik MSC területébe lép, akkor új kapcsolóközpontot idegen kapcsolóközpontnak (MSC-V Visited exchange) nevezik. Ebben a körzetben tartózkodó mobil állomás forgalmát a PLMN rendszer már ide fogja irányítani és kapcsolni. A mozgó állomás mozgását egyik körzetből a másikba bolyongásnak (roaming) nevezik. Roaming lehetséges: • •
MSC-H és MSC-V között, MSC-V és MSC-V között.
6
A rendszer a megváltozott helyzetadatokat mindig az MSC-H központba küldi, ahol mindig hozzáférhető a rendszer számára. Az összeköttetések során (beszélgetés közben) a mozgó állomás egyik cellából a másikba léphet. Ennek során a rádió összeköttetés nem szakadhat meg. A megszakadás nélküli összeköttetés-átadást hand-overnek vagy hand-offnak nevezik. A mobil állomások helyzetadatainak frissítése, aktualizálása megfelelő gyakorisággal történik. A MSC jelzések a No. 7-es jelzésrendszerrel történik. Ezeket a jelzéseket erre a célra kialakított közvetlen vonalon vagy PSTN összeköttetéseken lehet továbbítani.
1. 3. Forgalmihívás-típusok A mobil állomás felé irányuló hívás esete. A hívás az MSC-be érkezik. A szükséges elemzések és ellenőrzések után, például a mobil előfizető az adott MSC ellátott területén tartózkodik, a mobil állomás hívószámát a vezérlőcsatornán a kívánt cellák (helyzet körzet) számára továbbítja a rendszer (paging). A vezérlőcsatorna a pagingre adott válasz jelzi, hogy a mobil állomás jelen van és figyel. Ezután az MSC hangcsatornát jelöl ki, és utasítja a mobil állomást, hogy erre a csatornára hangoljon. Az összeköttetés létrejöttéről megfelelő jelzésekkel a rendszer a hívó felet (annak készülékét) tudatja, majd csengetést kezdeményez a mobil állomás számára. Ha a hívott fél válaszol, a beszélgetés megkezdődhet. A mobil állomástól kezdeményezett hívás esete. A hívást megelőző időben a mobil állomás a vezérlőcsatornára hangolódva vár. A mobil állomás használója a készüléke nyomógombos tasztatúrája segítségével hívószám-választást, majd adáskezdeményezést hajt végre. A mobil állomás híváskezdeményezését az aktuális cella bázisállomásának megfelelő csatornaegységbe, illetve annak vezérlőegysége detektálja. A hozzáférési jel továbbítja a mobil állomás azonosítóját és a hívott fél számát. Az MSC utasítja a mobil állomást, hogy melyik hangcsatornára hangoljon. Ezután a beszéd-összeköttetést az MSC létrehozza, ezzel a kapcsolat a hívott fél felé kialakult. Hívásbontás esete. A beszélgetés végén a mobil előfizető a kézibeszélőt a helyére teszi vagy megnyomja a megfelelő gombot. Ennek hatására a készülék egy meghatározott jelzőhangot küld a bázisállomás felé, illetve az MSC felé. Ezután az MSC elbontja az összeköttetést, majd kikapcsolja az addig használt RF csatorna bázisállomás-adóját.
1. 4. A rendszer szolgáltatásai A cellás rendszerek távbeszélő-központjai (MSC) fejlett tároltprogram vezérlésű digitális központok, amelyek az előfizetői szolgáltatásokkal kapcsolatos feladatokat szoftveres úton értelmezik és hajtják végre. A szolgáltatások
7
meghatározott körét a központok, más szolgáltatásokat pedig a mobil előfizetői készülékek nyújtanak. Az NMT rendszer központjainak szolgáltatásai a következők: • • • • • • • • •
Hívásátirányítás megadott számra Hívásátirányítás foglaltság esetén Hívásátirányítás válasz hiány esetén Távol lévő előfizetői szolgáltatás amikor a hívás egy operátorhoz vagy automatához irányul Hívásletiltás Kimenő hívás korlátozás, jogosulatlan használat esetén Hívás várakozás – a készülék indikálja, hogy egy másik hívás várakozik Konferenciahívás Rosszhiszemű hívások követése
A fenti szolgáltatások aktivizálhatók mind az előfizető mind a szolgáltató részéről. Előfizetői szolgáltatások a mozgó állomásról: • Választóbillentyűzet és a kézibeszélő egybeépítése • LCD (Liquid Crystal Display) kijelző • Számválasztás, híváskiadás letett kézibeszélő mellett, mindaddig, amíg a hívott fél válaszol • Gyors tárcsázás, a választott szám tárolása, gyors kiadhatósága, ismétlése • Utolsó hívott szám ismétlése • Elektronikus zár (kód) a jogosulatlan, véletlen hívások megakadályozására • Vett hívásindikálás, az előfizető távolléte esetén jelzés a közben történt hívásokról • Modem csatlakozási lehetőség • Hívás jelző (riasztási) lehetőség arra az esetre, ha az előfizető a mobil készüléktől távolabb van • Kéz-szabad kezelési, használási lehetőség, beszélgetés, a kézibeszélő felemelése nélkül (kihangosítás vagy fejbeszélő)
2. DIGITÁLIS CELLÁS RÁDIÓTELEFON-RENDSZER Ez a fejezet bemutatja a másod generációs rádiótelefon-rendszert (GSM Global System for Mobile Communications), támaszkodva az analóg rendszernél
8
leírtakra. Az első szolgáltató hálózatok 1992-ben kezdték el működésüket NyugatEurópában. A GSM rendszer előnyei az analóg rendszerekkel szemben: • • • • • •
Gazdaságos frekvencia kihasználás, Nemzetközi roaming lehetőség, Kiemelkedő adatbiztonság, Egész világra érvényes szabványok, Új szolgáltatások, folyamatosan bővülő köre, Egyre olcsóbb rendszertechnika és előfizetés.
2. 1. A GSM rendszer fontosabb paraméterei
GSM rendszer fontosabb paraméterei Teljessebességű GSM Félsebességű GSM Rendszer Adási frekvenciasáv Bázisállomás 935-960 MHz, Mozgó állomás 890-915 MHz Duplex távolság 45 MHz RF csatornaosztás 200 kHz Cellasugár 0,5-35 km Csatorna-hozzáférés TDMA/FDMA Forgalmi csatornák száma RF 8 időrés (időrésenként egy 8 időrés (időrésenként két vivőnként csatorna) csatorna) Átviteli sebesség 270,883 kbit/s (8x32 kbit/s) RF moduláció GMSK Átviteli sebesség egy csatornán 16 kbit/s 8 kbit/s Futási idő szórás-kiegyenlítési Max. 20 μs képesség
2. 2. A GSM rendszer felépítése A GSM-en belül a legnagyobb területi és szolgáltatási egység a PLMN (Public Land Mobile Network) Közcélú Földi Mobil Hálózat. A PLMN lényegében egy szolgáltató-üzemeltető cég által lefedett földrajzi terület (többnyire egy országon
9
belül), melyben előfizetői számára biztosítja a mobil távközlési szolgáltatásokat (WESTEL 900, PANNON GSM). A PLMN-en belül úgy alakítják ki a szolgáltatási területeket, melyek valóban egy-egy kapcsolóközpont MSC körzeteinek tekinthetők. A GMSC (Gateway MSC) biztosítja a nemzetközi és belföldi viszonylatban más külső hálózatok és a PLMN közti kapcsolatot. Valójában az egyik kapcsolóközpont (MSC) része, és továbbirányítási feladatokat lát el. A rendszer funkcionális felépítése A rendszer felépítését tekintve három nagyobb egységre osztható: • Kapcsoló alrendszer (SS Switching Subsystem) • Bázisállomás alrendszer (BSS Base Station Subsystem) • Működtetési és üzemfelügyeleti alrendszer (OMS Operation and Maintenance Subsystem) Kapcsoló alrendszer szíve az MSC. Feladata a hívás irányítása, kapcsolása és ellenőrzése, az MSC-k közötti átadás és kiegészítő szolgáltatások biztosítása, valamint díjszámlázása információk generálása. Egyben ellátja az interface szerepét is a GSM és a nyilvános telefon- és adathálózatok között. Az MSC-hez kapcsolódva két fontos adatbázis tárol adatokat az előfizetőkkel kapcsolatban. Az egyik a honos helymeghatározó regiszter, amely regisztrált előfizetői információkat tárol az előfizetésről, kiegészítő szolgáltatásokról és az előfizetői készülékek aktuális helyéről. A hívás lebonyolítása során a vezérlés ide érkezik be, és az előfizető adatai alapján lehet az előfizetőt megtalálni. A másik regiszter a látogató regiszter, amely azokról az előfizetőkről tárol információkat (pontosabban készülékekről), melyek a szolgáltatási területen belül tartózkodnak, de nem tartoznak az adott körzet regisztrált előfizetőihez. A készülék azonosító regiszter (EIR Equipment Identity Regiszter) tárol információkat arról, hogy milyen típusú mobil készülék van jelen pillanatban használatban, és ha a készülék lopott vagy nem engedélyezett a letiltását is kezdeményezheti. A hitelesítési központ (AUC Authentication Centre), mely az előfizetői hitelességet, és a rendszerhez való hozzáférést hivatott ellenőrizni. Bázisállomás alrendszer alapvető funkciója a megfelelő besugárzás megteremtése, valamint a rendszer rádióhálózatának megszervezése. Ennek az alrendszernek része még az úgynevezett BSC (Base Station Controller) bázisállomások vezérlő, melynek feladata a handover és a teljesítmény szabályozás vezérlése, valamint megteremti a kapcsolatot a bázisállomások és az MSC között. További feladat a rádiós interfacen történő kommunikáció szervezése és vezérlése. Működtetési és üzemfelügyeleti alrendszer mely a cellás hálózat adminisztrációját (kapcsolási adatok, mobil telefon rendszer adatok, cella adatok) végzi illetve az előfizetők nyilvántartását és adminisztrációját biztosítja valamint biztosítja az üzemeltetést.
10
2. 3. A cellás rádiórendszerek belső funkciói A korszerű cellás rádiórendszereknek az alábbi fő feltételeket kell kielégíteniük: • • • • •
A rendszer ismerje fel azt, hogy egy mozgó állomás a rendszerbe kapcsolódik-e, azaz az összeköttetés létrejött vagy nem, továbbá, Ha a mozgó állomás a rendszerre fel van kapcsolódva, történik-e akkor cellahatár átlépés A mozgó állomás melyik cellában tartózkodik (positioning, roaming) A mozgó állomás (MS) maga kezdeményezi a helyzetének frissítését, aktualizálását Ha az összeköttetés áll fenn és a mozgó állomás egy másik cellába lép, akkor az összeköttetést a rendszer automatikusan adja át egy másik, aktuális szomszédos cellának, bázisállomásnak, illetve mozgó kapcsoló központnak (hand-over, hand-off)
Általános működési feltételekként megemlítendők: • • • • •
•
A hálózat szomszédos bázisállomásai, illetve klaszterei órajelének pontossága és stabilitása legfeljebb az előírt hibával rendelkezhet A rendszer tartalmazza a szükséges vezérlőcsatornákat A mozgó állomások ismerjék a cellában vagy a cella klasztereiben lévő vezérlő csatornák paramétereit A rendszer legyen szinkronizált az órajelen kívül az adatkeret(frame) időkezdetek tekintetében is A bázisállomások rendelkezzenek annak megállapításának lehetőségével, hogy a szomszédos bázisállomások vezérlőcsatornái melyek, és forgalmi, valamint jelzési, jelzéstechnikai állapotuk milyen, majd ezek alapján megállapítani a saját és szomszédos bázisállomások közötti adatkeretek késleltetési idejét Lehetőség legyen arra, hogy a rendszer valamely mozgó kapcsolóközpontjához tartozó bázisállomások azonos órajellel működhessenek és az adatkeret idők szinkronban legyenek
2. 4. A GSM főbb szolgáltatatásai A GSM rendszer szolgáltatásai 3 fő csoportba sorolhatók, melyek magába foglalják a rendszer összes használható elemét. Ezek a következők: Hordozható szolgálatok (bearer services)
11
•
Különféle típusú, interfészű és átviteli sebességű adatátviteli és adatkommunikációs lehetőség
Távszolgáltatások (teleservices) • • • • • •
Távbeszélő Segélyhívás Telefax Rövid üzenetek Cellán belüli adatszórás (paging) Telematika (E-mail, Videotex)
Kiegészítő szolgáltatások (supplementary services) • • • • • • •
Hívásátirányítás Hívásvárakoztatás Hívástartás Konferenciabeszélgetés Tarifakijelzés Zárt felhasználói csoportok Hívófél számának kijelzése
3. A DECT RENDSZER A DECT (Digital European Cordless Telecommunications) a második generációs európai mobil rendszerek (GSM, TETRA, ERMES, stb.) családjába tartozó, legújabb vezeték nélküli távközlési eszköz. A rendszer a hagyományos "lakás - telefon" vezeték nélküli alkalmazásán túlmenően számos alkalmazási lehetőséget kínál a felhasználóknak /nyilvános PSTN/ISDN hozzáférés, GSM hozzáférés, rádiós helyi hurok, vezeték nélküli helyi
12
hálózatok, stb. /. Az 1,8 GHz - es frekvenciatartományban működő rendszer igen nagy kapacitáskezelő képessége kis területen koncentrálódó, magas forgalmi igények kiszolgálását teszi lehetővé. A rendszer, mely rövid hatósugarú vezeték nélküli távközlési célokat szolgál, hálózati háttér nélküli általános rádiós hozzáférési technika, igenszéles, általános alapot biztosít a különböző hálózatokkal való működésre.
3. 1. DECT szolgáltatások és felhasználások A DECT- en közvetlenül a beszéd-és adatátviteli alkalmazások közvetlenül vagy közvetve a PSTN Public Switched Telefone Network, ISDN Integrated Services Digital Network, PSPDN Packet Switched Public Data Network (nyilvános csomagkapcsolt adathálózat) stb. hálózatokkal együttműködve valósulnak meg. Felhasználási területek: • privát használat lakásokban, házakban lakótelepeken (residental use). • telepoint, egy és kétirányú telepoint (public access) • üzleti célú cordless rendszerek viszonylag kis méretekkel • nagy, üzleti, vállalati célú DECT távközlési rendszerek, sokcellás PBX (Public Branch Exchange) elv, épületen belüli működés is, roaming, hand-over funkciókkal. • integrált szolgáltatású hálózatok, beszéd- és hang- telefónia, valamint LAN (Local Area Network) hozzáférés. Rendszerjellemzők: sokoldalúság, közös, fejlett technológia, gazdaságosság, várhatóan viszonylag alacsony árak, várható kedvező kereskedelmi és alkalmazási hatások. Átviteli minőség, tulajdonságok A DECT rendszer fontosabb átviteli tulajdonságait az alábbiakkal adhatjuk meg: • jó minőségű beszédátvitel ( legalább CCIR 4-es minőség) • jó, hézagmentes rádiófrekvenciás ellátottság (tervezés, kialakítás a kívánt hely- ás időszázaléknak megfelelően az ellátási területeken) • hívásveszteség kisebb mint 1% • beszéd- ás adatátviteli alkalmazások
A DECT rendszer fő hálózatrészei a következők: • • • •
DECT fix rész (RLE,RFP) DECT (cordless) hordozható rész (CPP) terminál adapter és/vagy terminálkészülék (szükség szerint) törekvések a DECT kézikészülék (handset) GSM illetve PCN-ben alkalmazhatóságra
való
13
3. 2. Alkalmazási alapelvek • a DECT mint PSTN, PLMN (Public Land Mobile Network), PSPDN, PABX (Public Automatic Branch Exchange) hálózatok kiterjesztése a fontos, nem pedig mint önálló cellás rendszer • a DECT rendszer épít arra a rendszerre, amelyhez csatlakozik, épít annak a tudására, intelligenciájára • a DECT egy hozzáférési mód, rendszer, a globális rendszerekhez • az egyes DECT hálózatok függetlenek egymástól, csak a globális hálózaton keresztül vannak kapcsolatban egymással • A DECT jelzésrendszerének működése is a globális távközlési hálózaton keresztül valósul meg / pl. hand-over két DECT hálózat között /
3. 3. A DECT rendszer főbb rendszertechnikai adatai a következők: • • • • • • • • • •
frekvenciasáv 1880-1900 MHz modulációs eljárás FDMA/TDMA/TDD beszédkódolás 32 kb/s ADPCM csatornaosztás 1728 kHz bitsebesség /totál/ 1,152 Mb/s bitsebesség / gyakori / 32kb/s sávszélesség / csatornanövelés lehetséges, max. 12×32=384kb/s RF vivők száma 10 hand-over idő 10-15 ms duplex csatornák/keret (időrés párok száma) 12
3. 4. Hazai alkalmazások A rendszer tulajdonságainak megfelelően a rendszeresen nagy forgalmú helyeken a hazai viszonyoknak megfelelően a DECT rendszer nálunk is jól használható. Ilyen helyek lehetnek: nagyvárosi főpályaudvarok, és hazai nagy, nemzetközi repülőterek, bevásárlóközpontok, fontosabb közlekedési útvonalak is tekintetbe jöhetnek. Továbbá tekintetbe kell venni az ilyen rendszerek irodai, informatikai, számítástechnikai, riasztási, jelzési, biztonsági, életvédő, egészségügyi alkalmazását.
3. 5. Vezeték nélküli terminál mobilitás A fix hálózat által támogatott DECT mobilitást általánosan vezeték nélküli terminál mobilitásnak (CTM) nevezik. Ez a megoldási irány az univerzális személyi távközlés (UPT Universal Personal Telecommunication) filozófia továbbgondolása, ahol is a felhasználó már rendelkezni fog személyhez rendelhető mobilitással. A kifejlesztés alatt álló ETSI CTM (European Telecommunication Standard Istitute CTM) szabványok DECT vezeték nélküli kézi készülékekkel (PP Portable Part),
14
különböző környezetekben működő vezeték nélküli bázisállomások (RFP) rádiós ellátott területein belül vagy azok között tesznek lehetővé bolyongást és híváskapcsolást. A tervek szerint az érintett felhasználók hívásokat tudnak kezdeményezni és fogadni szolgáltatásjogosultság, telefonszám és előfizetés birtokában. A CTM nem jelent új rádiós interface fejlesztést, sokkal inkább a már meglévő hálózati infrastruktúra intelligenciájának kihasználását. A szabványok a közcélú vagy magán keskenysávú ISDN /N-ISDN/ hálózatokra valamint intelligens hálózati sajátosságokra építve biztosítják a szükséges mobiltámogatást és szolgáltatásvezérlést. A CTM szabványok kidolgozása fejlesztési fázisok figyelembevételével történik. Az első fázisban a távbeszélő teleszolgálat / bejövő és kimenő hívások /, bolyongás / helyi, üzleti és nyilvános hozzáférések / valamint a hívásátkapcsolás / egy cellán vagy egy cellacsoporton belül / lehetőségeit fogják biztosítani. A későbbi fázisok kidolgozása újabb teleszolgáltatásokat, hordozó és kiegészítő szolgáltatásokat valamint cellacsoportok közötti hívásátkapcsolásokat tesz majd lehetővé.
4. PAGING RENDSZEREK Gyakori távközlési, információtovábbítási igény az, hogy ismeretlen helyen tartózkodó személy számára lehetőleg gyorsan olyan értesítést, információt küldjünk, amiből a keresett személy tudomására jut, hogy keresik vagy számítanak mielőbbi telefonhívására. Az esetek nagy részében az is megfelel, ha ilyenkor legalább egyirányú információ továbbítására van mód, nevezetesen az ismeretlen helyen tartózkodó keresett személy irányába. Az információ továbbításnak címzetten, a keresett személy számára szólóan kell történnie (paging). Legtöbb esetben az elegendő, ha a küldött információt egy címzett készülék, a kívánt pager vevő veszi. Az ilyen és hasonló igények kielégítésére dolgozták ki a különféle paging rendszereket. A paging rendszerek a működési elvük, a távolság áthidalásának fizikai elve szerint lehetnek különfélék. Egy paging rendszer a kívánt információkat továbbíthatja nagyfrekvenciás villamos tér révén, azaz rádiós eljárással, vagy indukciós hurokkal hosszúhullámú frekvenciasávú mágneses tér révén, azaz indukció elv alapján. A paging szolgálat működhet önállóan, ilyen a rádiótelefon-sávi paging rendszer, de megvalósítható egy meglevő szolgálat kiegészítő szolgáltatásként, ilyen az URH-FM műsoradó hálózatra telepített paging rendszer. A paging rendszerek a rendszerhez tartozó előfizetők hozzáférése, jogosultsága szerint leehetnek zárt célúak (private) vagy nyilvánosak (public). A hatótávolság szerint lehetnek kis vagy nagy hatótávolságúak, továbbá helyi (regionális) vagy országos kiterjedésűek.
4. 1. A rádió paging rendszerek feladata és fejlődése A rádió paging (rádiókereső) rendszerek és a rádió paging szolgálat feladata a rendszer ellátottsági körzetében tartózkodó, megfelelő rádió pager vevőkészülékkel
15
rendelkező előfizetők címzett értesítése, megfelelő jelzés(ek) küldése révén. A címzett jelzés, értesítés a rendszer számára rendelkezésre álló, a rendszerre jellemző kódokkal, a lehetséges kódkészlet, jelzési készlet megfelelő elemének küldésével, vételével és a pager vevő segítségével való detektálásával történik. A címzett jelzések rendeltetése, funkciója, a jelzések paging vevő általi dekódolása, a nyújtott információk így több félék is lehetnek, amelyek lehetőségei, a nyújtható szolgáltatások, a jelzések értelmezése jellemző az adott paging rendszer fejlettségére is. A kezdeti kezdetleges paging funkcióktól a fejlett paging szolgáltatásokig a következő lehetőségek és ezek változatai, variációi jöhetnek szóba: • hangjelzés, egy vagy többféle hangjelzés /szaggatott hangok sorozata / a címzettnek tudnia kell hangjelzés (ek) jelentését • fényjelzés, egy vagy több kisméretű, színes világító, villogó LED dióda, egyezményes jelentésekkel • numerikus LCD kijelzők, néhány digittel számok kijelzése, a számok egyezményes értelmezésével • alfanumerikus display, több tíz digittel, több száz karakternyi memóriával, nyomtatási és csatlakozási lehetőségekkel / számítógép, display / A paging rendszerek a feladat lényegéből fakadóan digitális jelzésrendszert használnak, de ezek fejlettségében, képességekben, megbízhatóságban, a szolgáltatások lehetőségeikben lényegesen eltérhetnek egymástól. A rádió paging rendszerek gyakorlatilag a rádiózás megjelenésével együtt, kezdeti formái kialakultak. A mai értelemben már az 1950-es években használtak (kis hatótávolságú) paging rendszereket számos angliai kórházban egészségügyi személyzet elérésére. A rádiózás fejlődésével a paging rendszerek is fejlődtek, tökéletesedtek. A mai paging rendszereket már sokoldalú vagy nemzetközi együttműködés keretében dolgozták ki.
4. 2. A paging rendszerek elterjedését elősegítő tényezők A rádió paging / továbbiakban paging / rendszerek alkalmazásának, elterjedésének néhány szempontja a következő: • mobilitás igénye a felhasználók részéről, vagyis mobilitás és elérhetőség együtt, ez már ma is fontos, de a jövőben még fontosabb lesz várhatóan • a pager vevők rendszerint kedvező árúak, viszonyítva a cellás rádiótelefon előfizetői készülékek árához • megfelelő ellátási tartomány(ok) kialakítása, nem szükségszerűen országosan, de elegendően nagyra, az indokolt területekre, így a potenciálisan felhasználók nagy valószínűséggel használni kívánják a rendszert
16
• a rendszerhez való könnyű és jó hozzáférés, vagyis lehessen a rendszerbe előfizetőként könnyen, gyorsan jelentkezni, belépni • paging hívással lehessen a paging rendszer szolgáltatásait a jogosultnak könnyen elérni • mivel a paging rendszert és a paging előfizetőt a PSTN rendszeren keresztül lehet elérni, nem közömbös a PSTN helyzete, állapota sem, előnyös a DTMF (Dual Tone Multi Frequency) előfizetői vonal és telefonkészülék használata, de ez nem mindenhol áll rendelkezésre • a paging rendszerek elterjedésének szinte feltétele, hogy az adott országban legyen fejlett mozgó távközlés, mert így az emberek tudatában vannak annak, hogy a tetszőleges elérhetőség előnyös mind az üzleti, mind a privát szférában, mind pedig biztonságtechnikai szempontból.
4. 3. Rádió paging rendszerek rendszertechnikája Rádió paging rendszerek működési sajátosságaitól függően néhány hívástípus: • tárcsázási lehetőség, hívás tárcsázással egy közös terminálhoz, amelynél a közös terminál számának tárcsázása a távbeszélő hálózatban a hívás irányítását eredményezi a közös terminálhoz, ahol megtörténik a hívás feldolgozása rádió paging hívássá • tárcsázott hívás egy közös terminálhoz, másodlagos hangfrekvenciás jelzésekkel, amelynél a közös terminál elfogad közvetlenül tárcsázott digiteket, ezután elfogadja a másodlagos hangfrekvenciás jelzésekkel továbbított számjegyeket, amelyekkel együttesen történik meg a paging hívás kialakítása • operátorral kezelt, vagyis operátor által felvett és továbbított hívások. A paging rendszer működése legyen igen megbízható. A téves hívások sok rendszerben csak évente legfeljebb egyszer engedhetők meg egy előfizetőre vetítve. Többszörös ellátási területekkel (körzetekkel) működő paging rendszerekben a felhasználó megválaszthatja azt, hogy mely körzetben vagy körzetekben történjen a keresés. A rádiós ellátás lehetőleg olyan legyen, amely biztosítja a lehető egyenletes ellátást, de a kívánt területeken kívüli sugárzás legyen minimális. Különösen a nagy kapacitású paging rendszerekben egy tárolt program vezérlésű eszközre van szükség, amelynek segítségével megvalósítható a „tárol és továbbit” (store and forward) elv és funkciók. A vezérlő terminál a bejövő hívások érvényességét ellenőrzi. A vezérlő terminál a PSTN számára megfelelő jelzéseket ad. A vezérlő terminál közvetve vagy közvetlenül generálja az adók modulációját is. A vezérlő terminálok száma optimális legyen, figyelemmel a hozzáférési és a kapcsolási szempontokra. A terminálokhoz való hozzáféréseknél a PSTN-ben használt számozási rendszert és számozási előírásokat (belföldi, nemzetközi) kell figyelembe venni. A vezérlő terminálok kialakítása feleljen meg a PSTN-hez való csatlakozás és a szükséges forgalmi kapacitás szempontjainak és követelményeinek (jelzéstechnika,
17
kapacitás, paging címek száma, a diszkrét előfizetők tárcsázási számai). A kialakítás legyen moduláris, megfelelően bővíthető rendszerű. A fontosabb rádiótechnikai követelmények a megfelelő rádiócsatorna, illetve csatornák választása kérdéseivel függenek össze. Szempontok: • igény és gazdasági megfontolások az adott körzet (ek) -re • frekvenciasáv választás (CCIR:26,1-50MHz, 68-88MHz,146-174MHz,450470MHz, 806-960MHz ) • a frekvenciák rendelkezésre állósága • hullámterjedési (külső hullámterjedési és belső, azaz épületcsillapítás) és üzemeltetési feltételek • környezeti rádiózaj feltételek • a pager készülék érzékenységének gyakorlati határai • a paging adóállomások ERP és antenna magasság korlátai • a paging forgalom mértéke Egy nagyobb területet rendszerint csak egynél több adóval lehet ellátni. Ha a kapacitás megengedi, előnyben kell részesíteni az egyfrekvenciás paging megoldást a többfrekvenciás vevők szükségességének elkerülésének érdekében. Az ellátás, a körzetek besugárzása történhet ebben az esetben egymás után vagy egyidejűleg. Az egyidejű besugárzásnál a kváziszinkron adásokra vonatkozó szabályokat kell betartani. Ezek: adófrekvenciák közötti meghatározott frekvencia eltérések (bináris digitális pagingnél a frekvencia off-set nagyobb mint 2× bitsebesség) és a modulációs vonalak megengedett futásidő különbségei (bináris digitális pagingnél a futásidő különbség kisebb mint 1/4 bitidő). A paging vevők kialakítása szintén a rendszer lényeges kérdése. A beépített antenna szempontjából előnyös a 160 MHz-es frekvenciasáv. Egy tipikus paging vevőnél a beépített ferritantenna 16 dB csillapítást eredményez a félhullámú dipólhoz képest. Az LSI,VLSI áramkörök alkalmazása kedvező készülék tulajdonságokat és gazdasági hatásokat (ár) eredményez.
5. MŰHOLDAS SZEMÉLYI KOMMUNIKÁCIÓ Az egész 1963-ban kezdődött az Early Bird kommunikációs műhold pályára állításával. Az Early Bird volt az előfutára annak a 320 geostacioner műholdnak, amelyek mint egy nyaklánc vették körül a földet. Műholdas kommunikációs műhold rendszer működik már, mint például az INMARSAT-M, azonban aktatáska méretű végberendezésével nem terjedt el széleskörben. A megvalósulás alatt álló műhold kommunikációs rendszerek a föld teljes rádió lefedettségével, kis méretű rádiótelefonokkal kíván betörni a piacra. Teljes sikerre csak akkor számíthatnak, ha a telefonok miniatürizálásával, kis tömegű, alacsony árú és megfelelő működés idejű készülékeket nyújtanak a felhasználóknak ezzel biztosítva a teljes mobilitást.
18
5. 1. Mesterséges holdpályák és jellemzőik Adott föld körüli pályán lévő műhold hírközlési látószöge igen nagy (a geometriai vagy optikai látószög a műholdpálya magasságának függvénye), így műhold segítségével egyrészt egymástól nagy távolságra lévő földi állomások között létesíthető összeköttetés, másrészt pedig nagy kiterjedésű földfelszíni területek besugárzására nyílik lehetőség. Ez a tulajdonság határozza meg a földi állomások közötti összeköttetést műholdas közvetítő állomások felhasználásával megvalósítható hírközlő rendszerek alkalmazási területeit. Két földi állomás között létesíthető összeköttetés távolságának függése a műholdpálya magasságától a 2. ábrán látható egyszerű geometriai viszonyok alapján határozható meg. Az ábrán az α a műhold geometriai vagy optikai látószöge. A Φ szög és a műhold pálya magassága közötti összefüggés:
Φ = arc cos
1 1+
H R
ahol H a műholdpálya magassága (elliptikus pálya esetén a kis- és a nagytengely hosszának számtani középértéke) R a Föld sugara , 6376 km.
Két földi állomás közötti maximális távolság (a műholdról látható földfelszíni terület átmérője) az alábbi módon határozható meg:
h=
4π R 4π R Φ= arc cos 360 360
1 1+
H R
A műholdról látható földfelszíni terület nagysága pedig:
19
⎡ ⎤ ⎢ 1,28 R π h ⎛ R ⎞ ⎥⎥ ⎢ − − arc sin⎜ ⎟ D= arc cos ⎝ H⎠⎥ 2π ⎢ ⎛ h ⎞ 2 2R cos H ⎟ ⎜ ⎢⎣ ⎥⎦ ⎝ 2H ⎠
műhold α H h Φ R FÖLD
2. ábra. Két földi állomás közötti távolság függése a műholdpálya magasságától Műholdas hírközlő hálózatok tervezése, ill. műholdas hírközlési övezetek területének meghatározásakor ismerni kell az adott magasságú pályán lévő műhold és a műholdról látható földfelszíni területen belül elhelyezhető földi állomás közötti maximális távolságot, valamint a műhold földfelszíni vetületi pontja és a földi állomás közötti maximális távolságot. A föld és a műhold közötti távolság maximális értéke, valamint a műhold földfelszíni vetületi pontja és a földi állomás közötti távolság maximális értéke a műholdpálya magasságának és a földi állomás antennahelyszögének ( a horizont és az antenna főnyalábtengelye által bezárt szög ) függvénye. A Föld és a műhold közötti maximális távolságnak a műholdpálya magasságától és a földi állomás antennahelyszögétől való függését meghatározó geometriai viszonyokat a 3. ábra szemlélteti.
műhold r Ψ H R
20
FÖLD 3. ábra. A Föld és a műhold közötti maximális távolság változása A geometriai viszonyok alapján a Föld és a műhold közötti maximális távolság függését a műholdpálya magasságától és a földi állomás antennájának helyszögétől az alábbi összefüggés adja
(
r = − R sin Ψ R 2 ( sin 2 Ψ − 1) + ( R + H )
2
)
1 2
ahol r a műhold és a Föld közötti maximális távolság ( hatótávolság ), Ψ a helyszög. A fenti összefüggésből számítható Föld és a műhold közötti maximális távolság változását 1,6×102...1,6×105 km műholdpálya-magasság, valamint 0° ; 5° és 10° a 4. ábra mutatja. A műhold földfelszíni vetületi pontja és a földi állomás közötti maximális távolságnak a műholdpálya magasságától és a földi állomás antennahelyszögétől való függését meghatározó geometriai viszonyokat a 5. ábrán látható. Az ábra geometriai viszonyaiból a műhold földfelszíni vetületi pontja és a földi állomás közötti maximális távolság függését a műholdpálya magasságától, valamint a földi állomás antennahelyszögétől, mint paramétertől az alábbi összefüggés adja.
1=
π
⎛ r ⎞ Rarc sin⎜ ⎟ cos Ψ ⎝ r + H⎠ 180
r , km 1
1,6×105 1 2 3
2 1:ψ=0° 2:ψ=5° 3:Ψ=10°
21
1,6×104
3 1,6×103
1,6×104
1,6×105
H , km
4. ábra. A Föld és a műhold közötti maximális távolság függése a pályamagasságtól és antennahelyszögtől A fenti összefüggésből számítható műholdvetület és a földi állomás közötti maximális távolság változását 1,6×103....1,6×105 km műholdpálya-magasság, valamint 0° ; 5° és 10° helyszög esetén. r Ψ ϕ Φ R 5. ábra. A vetületi pont és a földi állomás közötti maximális távolság változása Adott föld körüli pályán lévő műhold hírközlési látószöge kisebb mint a műhold geometriai látószöge. Ennek oka egyrészt az, hogy a műholdon lévő adó- és vevő antenna nyalábszélessége kisebb mint a műhold optikai látószöge, másrészt pedig, hogy műszaki okok következtében egy adott hírközlési műhold a földi állomások optikai horizontja által meghatározottnál valamivel kisebb sávban használható összeköttetés létesítésére. A műhold pályasebessége az alábbi összefüggésből határozható meg:
v=
GM km / h r
Az egyenletben szereplő GM=g0R2=5,17×1012 km3/h2 a gravitációs állandó és a Föld tömegének szorzata, vagy a g0 gravitációs állandó földfelszíni értékének és a földsugár négyzetének szorzata.
22
5. 2. Alkalmazott műholdpályák,, tulajdonságaik A műhold kommunikációs rendszerek 3 földpályán tervezik működésüket, LEO [Low E Earth Orbiter ], MEO [Medium Earth Orbiter ], GEO [Geostacioner Earth Orbiter]. A műholdak túlnyomó többsége cirkuláris pályán fog mozogni, azonban előfordulnak excentrikus pályák is, az úgynevezett MOLNIJA típusúak. Ezeket az elliptikus pályákat azonban csak korlátozott mértékben, speciális célokra használják. Műholdak magasságát különböző fizikai hatások szabják meg. Egyik ilyen meghatározó tényező a föld mágneses mező és a napszél kölcsönhatásaként kialakuló övezetek, amelynek használata a műholdak tönkremeneteléhez vezetne. Ezeket az övezeteket Van Allen övezeteknek nevezzük. Két ilyen Van Allen övezet létezik, 2000-5000 km és 20 000-25 000 km magasságokon. Ezen pályák használatát teljesen ki kell zárni illetve a pályára állításnál figyelembe kell venni. A műholdak földhöz közeli magasságát a légkör korlátozza. A légkör fékező hatása miatt ugyanis hajtóművekre lenne szükség, amelyek ezt a fékező hatást kompenzálnák. Mindezek alapján alakultak ki a jelenlegi műholdpályák.
Elnevezés Magasság
Globális lefedettség
LEO
700-1500 km több , mint 40 műhold
MEO
10 000 km
8-12 műhold
GEO
35 786 km
3-4 műhold
Élettartam
Látszólagos keringési idő
5 év
1.4-4.5 óra
10-15 év
6 óra
10-15 év
állandó
A LEO [Low Earth Orbiter ] magába foglalja az IRIDIUM (780 km ), ARIES (1018 km) és a GLOBALSTAR (1389 km ) rendszereket. A MEO [ Medium Earth Orbiter ] magába foglalja a ICO PROJECT 21 (10 355 km), és az ODYSSEY (10 373 km) valamint a ELLIPSO (7800 km) rendszereket.
23
A GEO [Geostationary Earth Orbiter ] a maga 36 000 km magasan lévő pályájával , magába foglalja a AMSC ( US és CANADA ) , AGRANI ( közép ÁZSIA és INDIA ) ACeS ( dél-kelet ÁZSIA ), és az APMT ( KÍNA ) műholdakat. A következő ábrán ezen műholdak pályái, valamint a tiltott övezetek láthatók. GEO 36 000 km
LEO 700-1500 km
Külső Van Allen
Belső Van Allen
FÖLD
MEO 10 000 km
6. ábra Műholdpályák elhelyezkedése A LEO alacsony pályás műholdak előnye, hogy a kis magasság miatt kisebb a szabadtéri csillapítása, 700 km-en 166 dB. Az alacsonyabb szabadtéri csillapítás lehetővé teszi, hogy kisebb teljesítménnyel dolgozzon a rendszer. Másik fontos előnyös tulajdonság, hogy kicsi a késleltetési ideje, 5-10 ms. Hátránya, hogy az alacsony látótér miatt több műhold szükséges a zavartalan működés érdekében, ami nagyon megdrágítja a rendszert. Továbbá az alacsony elevációs szögek miatt nagyobb az árnyékolási valószínűség. Az árnyék következménye, hogy veszélybe kerül a megbízható kommunikáció lehetősége. A nagy műhold sebesség miatt (ami a földhöz viszonyítva kb. 7.5 km/s) megnő a Doppler hatás kialakulásának valószínűsége és csökken a horizont feletti tartózkodási idő, ami a fenti rendszernél kb. 6-7 perc. Mivel kisebb a műholdak látótere, ezért ez megkívánja a műholdak közötti összeköttetést (mint például az IRIDIUMNÁL) vagy nagy számú földi állomás telepítését (például GLOBALSTAR). A MEO műhold rendszerek esetén a nagyobb magasságok miatt nagyobb a látótér, melynek köszönhetően kevesebb műhold elegendő a teljes lefedettséghez. Nagyobb a horizont feletti tartózkodási idő, körülbelül 50 perc és ezért nem szükséges bonyolult kapcsolási procedúra. A LEO-hoz hasonlóan architektúrája kellően kisméretű cellákat biztosít.
24
A MEO műholdak városi környezetben körülbelül 65-70%, míg körülötte 90%-os rendelkezésre állást biztosít 50°-os szélesség fölött.[1] A nagyobb magasságok miatt azonban nagyobb a pálya veszteségük, körülbelül 200 dB és nagyobb a késleltetési idejük (80 ms). A GEO műholdak alapvető jellemzője a fix nagy magasságú geostacioner pálya. A műholdak nagyobb elevációs szöggel rendelkeznek, tipikusan 30° és így csökken az árnyék valószínűsége. Mivel a műholdak állnak, ezért a fix földi antennák jobban tudnak igazodni a műholdakhoz. Hátrányos tulajdonsága a jelentős késleltetési idő, amely 250 ms és amely rendkívül zavaró lehet a felhasználók nagy részénél. A nagy 204 dB-es pályaveszteség miatt, nagy teljesítményű adókra és álló nagynyereségű antennákra van szükség. Az F.1.1. grafikon bemutatja, hogy a különböző műholdpályák késleltetési ideje az emberek hány százalékát zavarja beszélgetés közben.
5. 3. Műholdas-cellás szolgáltatások A mobil műholdas kommunikációs rendszerek néhány módszerben különböznek a földi cellás rendszertől. Míg a földi cellás rendszerek a közöscsatorna interferencia által határoltak addig a műholdas rendszerek a termikus zaj által korlátozottak. A műholdas rendszerek sávszélességben és teljesítményben is korlátozottak. A teljesítmény korlátozottság okai a hő diszcipációs kényszer, a műhold nappanel energiafejlesztési képesség, az antenna méret és nyereség valamint a telefon EIRP (Effective Isotropically Radiated Power ). A műhold rendszerek ugyan nagy területi fedettséget nyújtanak, de egységnyi területen kis kapacitással. Ezzel szemben a cellás rendszerek egységnyi területen nagy kapacitásúak, azonban minden földi állomás csak korlátozott területet tud ellátni. Továbbá a cellás rendszerek a micró és piko cellák alkalmazásával magas sűrűségű helyi ellátást nyújtanak. Ugyan a műholdak is képesek kis cellákban nagy forgalom sűrűséget biztosítani, de ez az antenna apertúra által korlátozott. Az összeköttetés biztosítása városi környezetben mindig kényes kérdés, ezért a legtöbbet alkalmazott módszer a hierarchiában a földi rendszert használja, míg a műholdak inkább a nagy területek ellátását végzik. A műholdas és cellás rendszer összehasonlításakor megállapíthatjuk , hogy mind a kettő számos előnyös tulajdonsággal rendelkezik és ezen tulajdonságaik alapján kerülnek felhasználásra. Mint már korábban említettem a szakirodalom a műholdas szolgáltatást a cellás kiterjesztésének tekintik. Mindkét rendszer egyidejű felhasználása kapcsán merült fel a kettős-üzemű rádiótelefon gondolata mellyel a dolgozatomban a későbbiekben még foglalkozom. A telefon automatikus átkapcsolással biztosítja majd a cellásról a műholdasra való áttérést ha a körülmények ezt indokolttá teszik. A fejlesztő cégek arra törekszenek, hogy biztosítani tudják azokat a szolgáltatásokat amit már a fennálló személyi kommunikációs rendszerek nyújtanak. A mobil műholdas szolgáltatásokat a tengeri és légi rádiózáson túl a következő esetekben ajánlják használni a tervező:
25
• Nagy bevételű üzleti utazások esetén. • Nemzetközi szakembereknek , főleg olyan területeken ahol nincs megfelelő távközlési infrastruktúra. • Professzionális csoportok számára katasztrófa sújtotta területeken , mentési munkálatoknál. • Nemzetközi utazási szervezeteknek olyan területeken ahol gazdaságilag nem terveznek földi hálózatokat. • Olyan új lakóterületeken ahol nincs megfelelő távközlési infrastruktúra.
5. 4. Kettős-üzem problémái Amennyiben a kettős-üzemű telefont összehasonlítjuk a földi mobil készülékkel, akkor megállapíthatjuk, hogy a kettős-üzemű nagyobb és drágább mint a földi. A kettős-üzem eredményeképpen a cellás és műholdas szolgáltatás együtt fejlődik majd. A műholdas rendszer képes lesz majd arra, hogy ugyanolyan cellamérettel dolgozzon mint a cellás rendszer, azonban földi állomásban, kapcsolásban és csatoló egységben minimális különbség lesz. A rendszer teljesítmény korlátozása megköveteli, hogy a rendszer jó nyereségű antennákat és kis zajú áramköröket alkalmazzon a telefonban. A cellás telefonok antenna nyeresége 0 dB és a zajtényező tipikus értéke 6-8 dB. A műholdas telefonoknál az antenna nyereség 1-2 dB és a zajtényező értéke 3 dB-re módosul. Rendszerint ezt az értéket az antenna nyereséget és a zaj tényezőt együtt határozzuk meg a G/T alakban, ahol T az ekvivalens termikus zaj a vevőben. Így az előzőekben megadott értékek ennek figyelembevételével a következőképpen módosul. A cellásnál -31 dB/K, míg a legjobb műholdas rendszer előírja a -24÷-26 dB-es értéket feltéve, hogy az alkalmazott áramkörök nagy szelektivitásúak és az erősítők kis zajúak. Jellemző különbség, hogy cellásnál csúcs teljesítményt, míg műholdasnál átlag teljesítményt használnak. Ez az érték cellásnál 2W, a műholdas átlag teljesítménye pedig 125-250 mW. Ezek a tulajdonságok mind azt mutatják, hogy a műholdas szolgáltatás is ugyanolyan minőségű szolgáltatást kíván nyújtani mint a cellás, csak ezt kiterjeszti a föld minél nagyobb területére.
5. 5. Összekötő vételtöbblet Az összekötő vételtöbblet (Link Margin) M a következő egyenlet segítségével számolható:
26
⎛ PGSGP ⎞ ⎡⎛ EBRB ⎞ M =⎜ ⎟ ⎟× ⎜ ⎝ LPKBT ⎠ ⎢⎣⎝ N 0 L 0 ⎠
−1
−1 −1 ⎛ C⎞ ⎛ C⎞ ⎤ −⎜ ⎟ −⎜ ⎟ ⎥ ⎝ N 0⎠ F ⎝ I 0⎠ S ⎦
ahol , P átadó teljesítmény Gs műhold antenna nyereség Gp telefon antenna nyereség Lp pálya veszteség KB Boltzman állandó RB információ átviteli sebesség L0 mobil összeköttetés interferencia veszteség N0 zaj spektrális sűrűsége I0 interferencia teljesítmény spektrális sűrűség A pálya veszteséget a GS antenna nyereséggel tudjuk kompenzálni, ami viszont nagyobb apertúrát igényel.[1] A műhold csatorna felépítése a celláshoz hasonló, szervezni tudjuk mint forgalmi csatornát (TCH), szinkronizációs csatornát (SCH), vezérlő csatornát (CCH) és mint információs csatornát (MCH). A forgalmi csatorna (TCH) a hangvivő és adatvivő. A szinkronizációs csatorna (SCH) adja a telefon idő és frekvencia helyreigazítást. A vezérlő csatorna (CCH) broadcast információt, paging, csatorna hozzáférést és csatorna csere információt ad valamint hívás alatt olyan, mint egy kisegítő csatorna. Legvégül az információs csatorna (MCH) alacsony sebességű alfanumerikus üzeneteket továbbít a telefonhoz, amikor hangérintkezés nem lehetséges. Minden csatornának más az összekötő vételtöbblete mint ahogy különböző az adat sebességük és eltérő a hibaarány szükségletük. Az elsőgenerációs rendszerek megengedett összekötő vételtöbblete 8-16 dB TCH estén, 16-20 dB CCH esetén és 28-30 dB szinkronizációs valamint információs csatornán. Ezek az értékek 2.4 kb/s-os adatsebességet engedtek meg. A mai rendszerek már megkövetelik a 4.8 kb/s-os vagy magasabb adatsebességet, amely más összekötő vételtöbbletet követel mint az elsőgenerációs rendszerek.
5. 6. Frekvencia tervezés Két alapvető módszer létezik a frekvencia kijelölésre mozgó műhold rendszerekben. Az egyik módszer a műhold orientált frekvencia kijelölés, melynél a sugár előirányozza a mozgó műhold frekvenciáját. A másik módszer a terület orientált frekvencia kijelölés, amely előirányozza a frekvenciát az adott térségre és a sugár esése jelöli ki a frekvenciát a földön. A műhold orientált frekvencia kijelölést gyakrabban alkalmazzák, mivel fix sugár keletkezik, melynek előállítására analóg sugárformálót használnak a
27
műholdon. A terület orientált frekvencia kijelölésnél a sugár irányított és a műholdon digitális sugárformálásra van szükség.
5. 7. Technikai feladatok Műhold Fő feladata megfelelő minőségű szolgáltatást nyújtani a kézi telefonok számára. Megfelelő apertúra antenna segítségével biztosítani a szükséges összekötő vételtöbbletet. A rendszer rendelkezésre állása és összekötő vételtöbblete javítható több műhold használatával. Továbbá biztosítani kell, hogy megfelelő számú műhold legyen a pályán tartalékban az esetlegesen meghibásodott műholdak pótlására. Általában a tervezők 10% többlettel számolnak. További megoldandó feladat a műholdak helyzet és hely stabilizálása. A helyzet stabilizálásra általában tömegeket, folyadéksűrűségeket mozgatnak a repülő testben, míg hely stabilitásra a rakéta hajtóműveket használják. Mindkét esetben a 0.1%-os tűrésen belül kell tartani a műholdakat. További fontos technikai feladat a műholdak megfelelő energia ellátása amit elsősorban napelemek segítségével oldanak meg, de biztosítani kell, hogy napárnyékos időszakokban se legyen működésképtelen a rendszer. Erre a célra megfelelő kapacitású akkumulátor szolgál, tekintettel arra, hogy atomenergia használata biztonsági okok miatt nem használható. Mivel az űrhajó nagy hőterhelésnek van kitéve gondoskodni kell megfelelő hűtésről, melyet úgy oldanak meg, hogy olyan szilárd anyagot használnak ami hőre cseppfolyóssá válik és ezt cirkuláltatják a testben.
Földi rész Tervezésének fő célja, hogy integrálja a műholdas és cellás rendszereket, szolgáltatásokat. Sikeresen megoldani a mozgás kezelést és az erőforrás kezelést, ami a két rendszernél különböző. Lényeges eltérés a két rendszer között a műhold diversity kezelése. Megoldandó feladat az idő kiegyenlítés, teljesítmény kontroll és a handover kérdése. A földi rész bonyolultságának növekedésével egyszerűsödik a műholdak struktúrája. Ezt példázza a bent-pipe transzponderek alkalmazása.
28
5. 8. Rendelkezésre állás számítás A csatorna modell a műhold kommunikációs rendszerekben feltételezi , hogy a csatorna két állapottal rendelkezik. Az egyik állapot a " jó " állapot azaz árnyékmentes és ekkor leírható Rice karakterisztikával. A másik a " rossz " állapot amikor a csatorna árnyékos és leírható Rayleigh karakterisztikával , a helyi jel pedig Lognormál karakterisztikájú. Mindkét esetben a vevőbe érkező jel erősen befolyásolt a reflektált jelek által. Ezen reflektált jelek komponenseinek független random amplitúdóinak és fázisainak összeadása komplex Rayleigh módszerrel történik. Mikor nincs árnyékolás jelen ez a jel hozzáadódik a direkt jelhez és teljes jel amplitúdó lesz amit Rice módszerrel tudunk modellezni. A műhold csatorna modellje a következő ábrán látható. n(t)
r ( t) Jel Árnyékolás
Fading a(t)
n(t)
29
• Rice fading „ jó „ állapot
„ rossz” állapot
Rayleigh / Logn. Fading
1 Lognormal 1 c
Fading
μ,σ
S( f )
Komplex Rayleigh 7. ábra. Mobil műhold csatorna dinamikus csatorna modell Árnyékmentes állapotban a vett jel teljesítménye leírható a valószínűség sűrűség függvény segítségével.
PRice ( S ) = ( K + 1)e ( − K ( S +1) − S ) I 0 SK ( K + 1) K - direkt komponens , többutas teljesítményviszony összetevője és így számolható a Rice faktor. I0 - módosított Bessel függvény Árnyékos állapotban, a valószínűség sűrűség függvény a vett teljesítményt kondicionálja a helyi átlag teljesítményben S0. 1 − PRayl . ( S / S 0 ) = e S0
( ln S0 − ln μ ) 2 2σ 2
A helyi átlag teljesítmény S0 eloszlása Lognormál.
30
PLogn. ( S 0 ) =
1 2π σ S 0
e
−
( ln S0 − ln μ )2 2σ 2
μ - átlag teljesítmény szint csökkenése σ - telj. szint standard deviációja ( dB-ben ) Árnyékos állapotban a vett teljesítmény valószínűség függvény a következő formában számolható: ∞
PSHADOWED ( S ) = ∫ PRayl . ( S / S 0 ) PLogn. ( S 0 )dS 0 0
Műhold kommunikációs rendszerekben a rendelkezésre állás árnyékos állapotban a használt idő százalékában mérhető. Az összekötő vételtöbblet önmagában a rendszer ellátásához nem elegendő, mivel nem tudja leküzdeni a Rice fadinget és más egyéb veszteségeket. Ebből következik, hogy többlet link margint kell nyújtani árnyékos Rayleight állapotban. Több műhold láthatósága esetén kitudjuk választani a legkisebb árnyékolású műholdat és így javítani tudjuk az összeköttetés minőségét. A legjobb műholdak közötti válogatást - ami segít leküzdeni az árnyékolást - műhold diversitynek nevezzük. Tulajdonképpen a pálya rendelkezésre állás alapvetően ugyanaz mint a műhold láthatóságának valószínűsége. Az átlag rendelkezésre álláson túl a Föld egyes pontjaira is kiszámítható a rendelkezésre állás. Az átlag rendelkezésre állás nem más mint az egyes rendelkezésre állások átlaga. Bizonyos szélességeken az átlagos rendelkezésre állás azonos a szimmetriának köszönhetően. A felhasznált szakirodalom a LEO és MEO rendszereket magasság, repülési síkok száma, műhold / sík, inklinációs szög valamint minimális elevációs szög alapján LEO1, LEO2 és MEO1 , MEO2 rendszerekként vesz figyelembe amit a következő táblázat mutat. LEO1
LEO2
MEO1
MEO2
magasság [ km ]
780
1390
10 355
10 355
műholdak száma
66
48
10
12
síkok száma
6
8
2
3
műhold / sík
11
6
5
4
31
inklinációs szög
86°
52°
45°
50.7°
min. elevációs szög
8.2°
10°
10°
10°
A mérések és számítások alapján R. Ramésh megállapította, hogy közepes és alacsony szélességeken városi környezetben a LEO2, MEO1, MEO2 rendszerek jelentősen jobbak. Ezzel ellentétben viszont a LEO1 jobb magasabb szélességeken. Tekintett arra, hogy a Föld népességének nagy része a közepes és alacsony szélességekre tevődik ez a tulajdonság kevésbé előnyös. Vidéki környezetben mind a négy rendszer jó rendelkezésre állást biztosít. Összességében tehát a rendelkezésre állás nem más mint legalább egy árnyékmentes műhold láthatóságának a valószínűsége. A rendelkezésre állás tehát függ a felhasználó helyétől és a tervezéstől úgy, hogy a felhasználó egyszerre hány műholdat lát. A következő táblázat bemutatja a különböző rendszerekben lévő műholdak számának láthatóságát 40°-os szélességnél
Láthatóság valószínűsége Rendszer
1 műhold
2 műhold
3 műhold
4 műhold
5 műhold
LEO1
1.0
0.6084
0.1023
0
0
LEO2
1.0
1.0
0.8583
0.3596
0.0035
MEO1
1.0
0.7821
0.3672
0.0282
0
MEO2
1.0
1.0
0.5740
0.0808
0
32
A következő fejezetben bemutatom az általam fellelt konkrét rendszereket és ismertetem, hogy az itt fent említett általános tulajdonságokat hogyan alkalmazzák ezek a megvalósulás alatt álló illetve működő kommunikációs műhold rendszerek.
6. MEGVALÓSÍTÁS ALATT ÁLLÓ RENDSZEREK 6. 1. Inmarsat P rendszer Elsősorban a már meglévő, működő rendszereit kívánja fejleszteni, mint az Inmarsat A/B, C és M. Alapvető célja, hogy minimalizálja a felhasználói berendezéseket, mivel a jelenleg használatos végberendezései aktatáska méretű és súlya 20 kg. Hasonlóan a többi rendszerhez a készülék méretére nagy hangsúlyt fektetnek, a tervezett telefon készülék 24 órás készenléti idővel és 1 órás beszélgetési idővel fog rendelkezni. Az összes rendszer közül egyedül az Inmarsat nem tervezi használni a kettős-üzem módot. A következő szolgáltatásokat, fejlesztéseket tervezik: • Bevezetni a telefonnál a kártya használatát és ezzel megvalósítani a személyhez rendelt műhold kommunikációt. (hasonlóan, mint a GSM-nél) • Növelni akarják a kapcsolási feladatokat, biztosítják a bolyongást, fax és adat továbbítást kínálnak, mint az Inmarsat M-nél, ahol ez már a szolgáltatás része. Ettől azt várják, hogy a felhasználók száma 2000-ben meghaladja majd az egymilliót és a több milliót 2010-ben. Az Inmarsat P megjavítja majd a jelenlegi rádió ellátottságot és teljesen újjak lesznek a földi hálózatok interfészei. Lehetővé kívánják tenni a felhasználóknak a bolyongást az egész világon, valamint olyan komplex hálózati megoldásokat kifejleszteni, hogy a felhasználók azonosíthatók legyenek föld bármely részén a PIN számuk alapján és hozzátudjanak férni a földi hálózatokhoz. Olyan megoldást akarnak megvalósítani, amely kapcsolás segítségével GSM rendszerbe vagy intelligens hálózatba juttatja a felhasználót.
6. 2. Globalstar rendszer A globális műhold beruházást a Loral Qualcomm Satellite Services Inc. alapította és LEO műholdakat kívánnak felhasználni, mint rádió bázis állomás. Kezdetben 24 műholddal kezdik a szolgáltatást majd később 48-ra duzzasztják a műholdak számát. A tervezet szolgáltatáshoz való hozzájutás érdekében az előfizetőnek 700-750 USD-os terminál díjjal és 35-53 centes percenkénti díjjal kell számolnia.
33
Műholdpályák
A műholdak 8 pályán egyenletesen lesznek elosztva, és a Földtől 1414 km távolságban helyezkednek el. A pályák inklinációja, vagyis az egyenlítő síkjával bezárt szöge 52°. Feladataik hasonlóak lesznek mint a földi cellás hálózatoké, azonban mivel a műholdak nagy sebességgel mozognak a földhöz képest, ezért viszonylag rövid ideig, körülbelül 10-12 percig láthatók. Emiatt az ennél hosszabb beszélgetéseknél úgynevezett handovert kell végrehajtani. A műholdak közötti váltás automatikusan és gyakorlatilag észrevétlenül zajlik. Az ilyen jelegű rendszerek kezelése azonban meglehetősen komplex. A cellák vételi fluxussűrűsége miatt, a műholdak adó teljesítményét szabályozni kell. Előnyös tulajdonsága, hogy a késleltetési idő lerövidül (hasonló a celláshoz) és a átadó teljesítmény kisebb. A kellően kis cella méretek miatt nagyobb felhasználói kapacitással rendelkezik. A rendszer teljesen integrálva lesz a földi távközlő hálózatokhoz. A műhold a mobil készülékek jeleit feldolgozás nélkül visszasugározza a kiinduló cellába és ez az úgynevezett " bent-pipe " típusú architektúra. A rendszer teljesen földi állomás függő, minden cellában szüksége van a földi állomás együttműködésére ellentétben az Iridium rendszerrel. A műholdak a földön elliptikus cellákat hoznak létre melyek tengelyei a repülési úton van. Ezek a cellák valamint a műholdak elhelyezkedése látható a következő ábrán.
8. ábra. Globalstar rendszer A műholdak mozgása pólustól-pólusig a cellák mozgását is eredményezi. Mivel ezekhez a cellákhoz dinamikusan kell alkalmazkodni, ez jelentősen megdrágítja a rendszert, hiszen fázisvezérelt antenna rendszerek kellenek. Moduláció, frekvencia
A Globalstar kódosztású többszörös hozzáférést CDMA alkalmaz, mely modulációs technika úgynevezett spektrumszórás alkalmazásán alapszik. Jellemzője, hogy a modulált jel sávja jelentősen kiszélesedik és az adó teljesítménye itt oszlik el.
34
A műhold csatorna jellegzetessége, hogy mindenki visszahalja a saját adását is a megfelelő késleltetéssel és így automatikusan értesül róla, hogy a csomag célba érkezett vagy ütközés közben megsérült. A mobil- műhold kapcsolat az L (1610-1625.5 MHz ) sávban míg a műhold-mobil pedig az S ( 2483.5-2500 MHz ) sávban zajlik. A műhold és a földi állomás kapcsolata pedig a C ( uplink 5091-5250 MHz , dowlink 6875-7055 MHz ) sávban. A Globalstar már alkalmazza a kettős üzemű telefonokat, így a műholdak használata csak abban az esetben történik ha a földi hálózathoz nem lehet hozzáférni. A rendszerben a földi állomások egyszerre három műholdat képesek kiszolgálni, amely a vételi minőség javulását illetve a lehetőséget ad a felhasználó helymeghatározására, egy- és kétutas, önálló pozíció meghatározás és differenciális GPS módszerek segítségével.
6. 3. Iridium rendszer Az Iridium rendszer globális, digitális LEO műholdak alkalmazásával tervezi működését, melynek szellemi atyja a Motorola. A műholdak pályára állítását 1997ben kezdik és a kezdeti működését pedig 1998-ban. A felhasználói készülékek ára 2500-3000 USD lenne, míg a percenkénti beszélgetési díj 3 USD körül tervezik, ami meglehetősen drága. Az Iridium név a 77 elektronnal rendelkező Iridium atomtól származik, az eredeti tervekben ugyanis ennyi műhold szerepelt. A műholdak számát 66-ra csökkentették a, név ennek ellenére maradt. Az Iridium műhold kommunikációs rendszer várható architecturáját mutatja a következő ábra.
35
9. ábra Iridium rendszer felépítése Hívásokat fogadni és kezdeményezni a Föld bármely részén lehet majd kisméretű, hordozható készülékekkel. A rendszer központi részét az egymással és a földi vezérlőrendszerrel is összeköttetésben lévő intelligens műholdhálózat adja. A LEO műholdak egymással (közvetlen műholdas jeltovábbítás) és a földi hálózattal is összeköttetésben állnak (bent-pipe) a mobil kapcsoló központon keresztül (MSC „Mobil Switching Center "). A mobil kapcsoló központ úgy működik majd mint „menekülés felelős " a földi hálózatban. Ahhoz, hogy a kiszolgálás folyamatos legyen, hívásátadásokra van szükség a műholdak között. A hívásátadások egy része műholdon belüli más részük pedig műholdak közötti, melyre akkor van szükség ha a kiszolgálás a sugár lenyomat szélén helyezkedik el. Természetesen szükség van a műholdak összehangolt, földről irányított koordinációjára. Ez a rendszervezérlő alrendszer feladata (System Control Facility), amely a műholdak pályaadatait ellenőrzi és a műholdak működését biztosító kiszolgálóegységek állapotát felügyeli. Az égi hálózatot is az SCF fogja ellenőrizni és meghibásodás esetén ez fogja az alternatív utat kijelölni. A tervek szerint két ilyen SCF fog működni az egyik Amerikában a másik Európában. A rendszer hátránya, hogy megvalósítása nagyban függ a földi rendszer kiépítettségétől és nagyszámú átjátszó állomásra (gateway) van szükség. Jelenlegi elképzelések szerint az átjátszó állomások három darab antennát fognak használni, amelyek egyenként körülbelül 3,3 m átmérőjűek lesznek. Két antenna a műholdakkal való folyamatos kapcsolattartást míg a harmadik antenna a tartalék lesz. Mivel az antennák tervezett távolsága egymástól 30 km távolságra lesz, ezért a kedvezőtlen időjárás okozta veszteségek sem okoznak problémát. Műholdpályák
A 66 műhold 6 darab 780 km magasságú Földpályán fog keringeni. A 66 műhold egy 2168 cellából álló lenyomatot hoz létre. A műholdak elhelyezkedését és a lefedettséget mutatja a következő ábra.
9. ábra. Iridium rendszer
36
Mivel a műholdak polár pályán mozognak, ezért a műhold cellák méretét csökkenteni kell vagy a sarki területeken teljesen kikell kapcsolni. Szintén egyedi cella méretre van szükség ha a kiszolgálás egyedi környezetben történik. A cellák lenyomata méhkaptárhoz hasonló, melynek átmérője 4700 km.
Moduláció, frekvencia
Az Iridium rendszer a műholdak közötti valamint a műhold és átjáró közötti kapcsolatban a K-sávú frekvencia tartományban fog működni ( 33-36 GHz és 10.936 Ghz ). A műholdak egymás közötti kommunikációhoz 37 dB nyereségű antennákat és 3.4 W kimenő teljesítményeket használnak. A műhold-átjáró kapcsolatban pedig 27 dB nyereségű antennát és 1.3 W csatornánkénti kimenő teljesítményt. A műhold és a felhasználó tekintetében (telefon, fax, stb.) a rendszer az L-sávú frekvenciatartományt (1618.25-1625.5 MHz) fogja használni. A mobil készülékek körülbelül 1dB nyereségű cirkulárisan polarizált antennákat fognak használni. Az Iridium TDMA hozzáférési technikát fog alkalmazni. Egy TDMA keret 4 uplink és 4 dowlink csatornát tartalmaz amelyek egymástól meghatározott védelmi időrésekkel vannak elválasztva. A rendszer 36 kbit/sec-os adatátviteli sebességgel rendelkezik. A felhasználói berendezések tekintetében az Iridium előírja a 390 mW átlag teljesítményt, amely nem több mint amit a GSM-nél megszoktunk.
6. 4. Teledesic rendszer A Teledesic alapötlete Bill Gates és Craig McCaw fejében született meg 1990-ben. Egy olyan rendszert kívánnak létrehozni amely 840 alacsonypályás műhold segítségével teljes körű kommunikációs szolgáltatást nyújtana. A beszédátvitelen túl szolgáltatásként kínálja a videotelefon, a video konferencia, a távtanulás valamint az internet élérést. A Teledesic a tervek szerint 2002-ben kezdi működését. Műholdpályák
Ezek a műholdak 695 km és 705 km magasságban kis excentritású pályán fognak elhelyezkedni. A rendszer földhöz rögzített cellákat fog használni amelynek oka, hogy a rendelkezésére álló spektrumot maximálisan kiakarja használni illetve tiszteletben kívánják tartani az államhatárokat és így leegyszerűsödik a szolgáltatáshoz való kapcsolódás lehetősége. A csatorna elemei így a cellákhoz vannak rendelve és kezelésüket a műholdak végzik. Minden egyes műhold 64 nyalábból álló nyomatot hoz létre. Minden egyes nyaláb egy 160×160 km-es szupercellát hoz létre, melyek az egyenlítővel párhuzamosan helyezkednek el. Minden egyes szupercella 9 darab cellából áll. A szupercellák előállításáért illetve
37
kezeléséért mindig az a műhold felelős amelynek középpontja a cella középpontjába esik. A műholdak elhelyezkedése és a cellák láthatók a 10. ábrán.
10. ábra. Teledesic rendszer Moduláció, frekvencia
A rendszer a minél jobb spektrum felhasználás érdekében tér -, idő- és frekvencia többszörös hozzáférést alkalmaz. A cellák közötti elválasztásról és átlapolódásról egy biztonsági időrés gondoskodik. A hálózat a K-sávú frekvencia tartományban fog működni. A rendszer nagy átviteli sebességgel és alacsony késleltetési idővel fog rendelkezni. A műholdak közötti kapcsolat a 60 GHz-es sávban fog történni. Minden nyaláb 500 MHz sávszélességet foglal el 1800 darab csatorna számára. Dowlink esetén 28.6-29.1 GHz frekvencia míg uplink esetén 18.8-19.3 GHz frekvenciát használja a Teledesic.
6. 5. Odyssey rendszer Az Odyssey műholdas kommunikációs rendszer várhatóan 1998-ban kezdi meg részleges működését 6 darab MEO műholddal. A tejes kiépítettségét 1999-re tervezi összesen 12 darab műholddal. A rendszer együttműködik a földi hálózattal és automatikus átkapcsolással biztosítja a műholdas üzemmódra való átkapcsolást, ha a felhasználó nem tud hozzáférni a földi hálózathoz. A rendszert úgy tervezték, hogy kompatibilis legyen a földi cellás hálózatokkal. Szolgáltatásai közé tartozik majd a hang és adatátvitelen túl személyhívás és az üzenetküldés. A felhasználói készülék árak 400-700 USD, az előfizetői díj 20-30 USD és a percenkénti beszélgetési díj 1 USD körül várható. Műholdpályák
Az Odyssey holdjai 10354 km magasságban, 3 síkon fognak üzemelni. Az egyenlítővel bezárt inklinációs szöge 50°. A rendszer a Föld sűrűn lakott területeit kívánja ellátni ami azt jelenti, hogy a 70° szélességi fok felett lehet majd használni.
38
A rendszer holdjai az idő 90%-ban lesznek 30°-os emelkedési szög felett. A műholdak 4.8 m/s sebességgel közlekednek a Földhöz képest. Moduláció, frekvencia
Az Odyssey CDMA hozzáférést fog alkalmazni, hasonlóan a Globalstarhoz és ez a technika megengedi az azonos frekvenciák használatát a szomszédos cellákban. Hátránya, hogy bonyolult és teljesítmény szabályozást igényel. Ugyanis azonos teljesítményre van szükség a földön és a műholdon. A rendszer háromféle frekvenciasávot fog használni. A műhold és a mobil közötti kapcsolatban uplink esetén S-sávot, míg dowlink esetén az L-sávot. A műhold-földi állomás tekintetében pedig a K-sávot.
6. 6. Little LEO rendszerek A little LEO elnevezés nem a pályamagasságra utal, hanem az alacsonyabb frekvenciatartományban nyújtott kisebb adatátviteli sebességre. Létjogosultságukat megvalósulás esetén- az alacsony áruknak köszönhetik. Kezdetben ugyan a berendezések árai semmiben nem különböznek majd a fent ismertetett Big LEO rendszerekben ismertetettel, de tömeggyártás felfutásával ez az ár lecsökkenhet 150 USD alá. A Little LEO rendszerek telefon, fax és adat szolgáltatást kívánnak nyújtani az UHF sávban. (F.2.2.)
39
FÜGGELÉK
felhasználók [%] GEO ■
80% MEO ■
30% 10%
LEO ■ 10 ms
80 ms
250 ms késleltetési idő [ms]
F.1.1. A felhasználókat milyen százalékban zavarja a késleltetés
AZ ŰRKUTATÁS FEJLŐDÉSÉNEK LEGJELLEMZŐBB MOZZANATAI
40
• 1957. 10. 04. Első mesterséges hold. Földkörüli pályán a SZPUTNYIK. • 1957. 11. 03. Második SZPUTNYIK Lajka kutyával a fedélzeten. • 1958. 02. 01. Első Amerikai műhold (EXPLORER-1) • 1958. 12. 18. SCORE műhold pályára állítása 200-1500km magasságon. • 1960. 08. 12. ECHO I. műhold 1500-1700km magasságon. • 1962. 07. 10. TELSTAR I. 1000-6000km-es pályán. • 1963. 07. 26. Az Egyesült Államok geostacionárius pályára állítják a SYNCOM-2-t, az első geoszinkron távközlési mesterséges hold. • 1965. 04. 06. EARLY BIRD (Intelsat I) • 1965. 04. 23. MOLNIJA pályájú mesterséges műhold megkezdi működését.
LEO
MEO
GEO
Átlagos pályamagasság 500-1500km kb.10000km 35768km Globális lefedettség
> 40 műhold 8-12 műhold 3-4 műhold
Szabadtéri csillapítás
170dB
193dB
Jelterjedési késleletetés
4-12ms
70-140ms
Szolgáltatás Műholdak élettartama
204dB
globális
globális
240ms sarkokon nincs
5-7 év
10-15 év
10-15 év
F1.2. Műhold rendszerek összehasonlítása
Rendszerek Little LEO
Frekvencia sávok UHF 137.00-138.00MHz le, 148.00-150.00MHz fel 387.00-390.00MHz le, 312.00-315.00MHz fel 399.00-400.05MHz le, 440.15-441.00MHz fel
41
Big LEO GEO
L 1610-1626.5MHz le S 2483.5-2500.0MHz fel L 1.5GHz le, 1.6GHz fel C 4GHz le, 6GHz fel Ku 11GHz le, 14GHz fel
F.1.3. WAR’92 konferencián lefoglalt frekvenciasávok
RENDSZER NEVE Globalstar Szolgáltatásai
telefon, személyh.ívó, fax, adat, rövid üzenet, helymeghatározás
Adatátviteli sebesség [kbps]
Iridium telefon, személyhívó, fax, adat, e-mail, helymeghat.
Odyssey
ICO
Teledesic
telefon, telefon, telefon, személyhívó, személyhívó, személyhívó, fax, adat, rövid adat, fax adat, fax, video üzenet, helymeghatározás
9.6
9.6
4.8
4.8
16
LEO
LEO
MEO
MEO
LEO
48
66
12
10
840
Műholdtömeg [kg]
450
700
2207
1925
771
Felhasználói frekv.
L/S
L
L/S
S
Ka
Műholdak közötti kapcsolat
-
23GHz
-
Lefedési terület
< 72°
globális
MA technika
CDMA,
TDMA,
Pálya Műholdak száma [db]
< 70° CDMA,
-
60GHz
globális ≈ globális TDMA,
TDMA, SDMA,
42
FDMA FDD
Percenkénti díj [USD]
FDMA TDD
FDMA FDD
FDMA FDD FDMA, TDMA
0.35-0.53
2-3
1
1-2
0.04
1998
1998
1999
2000
2001
Indítási dátum
F.2.1. Big LEO rendszerek
Rendszer neve
Leosat
műholdak száma
20
48
24
36
LEO
LEO
970km
1400km
pálya ellátottság felhasználói frekvencia
Aries Orbcom
globális globális UHF
L/S 122
< 50° UHF 150
Gonets Vita 24
10
LEO
ICO
globális globális UHF 255
Project 21
UHF -
globális UHF
műholdtömeg
-
-
szolgáltatás
személyhívó, e-mail, fax és adat (kis sebességű), pozíció
F2.2. Little LEO rendszerek
43
Felhasznált irodalom 1. Dárdai Árpád: Mobil távközlési rendszerek
1994
2. Bőti László: Az európai mobil távközlés 1980-2030 között, Magyar távközlés 1996/3 3. Veres Jenő: A DECT és hazai jövőképe, Magyar távközlés 1996/3 4. Dr. Lajtha György: A távközlés fejlődése és a távlati trendek, Magyar távközlés 1997/2 5. Czinkóczky András: Úton a személyi távközlés felé, Magyar távközlés 1997/2 6. dr. Bausz Andrea: Az UMTS koncepció alakulása, Magyar távközlés 1997/2 7. Nils Rydbeck, Sandeep Chennakeshu, Paul Dent, Amer Hassan: MobilSatellite Systems: A perspective on technology and trends. IEEE Vehicular Tech. Conf. 1013-1017, 1996. 8. Szász Jenőné Dr. Tolnai Klára, Dr. Tamási Ferenc: Mesterséges holdak.
44
Zrínyi katonai kiadó, 1986 9. R.Ramésh: Availability Calculations for Mobile Satellite Communication Systems. IEEE Vehicular Tech. Conf. 1033-1037, 1996. 10. Josef Franz Huber: Satellite mobile communication. Internet, Siemens Telcom Report International 1994. http://www.jou.ufl.edu/siemens/articles/0694/694huber.htm 11. A. J. Rodrigues, A. A. Albuquerque: Multi-h CPM with Post-Detection Diversity in Satellite Mobile Fading Channels. IEEE Vehicular Tech. Conf. 674677, 1995. 12. Raymond Steele: Mobil Radio Communication. Chapter 2. David Parson: Characterisation of fading mobile radio channels. Pentech Press,London 1992
45
