Definition Satellit Quelle Brockhaus. Geschichte der Satellitenkommunikation. Generationen von Nachrichtensatelliten. Kommunikationsdienste und -netze

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1 Kommunikationsdienste und -netze Kapitel 9: Satellitenkommunikation Definition Satellit Quelle Brockhaus Frz. von lat. Satelles, Satellitis: Leibwächter Astronomie: Begleiter eines Planeten (Mond) Raumfahrt: durch eine Trägerrakete oder (ab 1982) einen wiederverwendbaren Raumgleiter in das All gestarteter und dort auf elliptischen oder kreisähnlichen Umlaufbahnen von Planeten oder Monden gebrachter, i.d.r. unbemannter Raumflugkörper; meist als Erdsatellit KDN / KomNetII - 9. Satellitenkommunikation 304 Geschichte der Satellitenkommunikation Generationen von Nachrichtensatelliten 1945 Arthur C. Clarke veröffentlicht Aufsatz über Extra Terrestrial Relays 1957 erster Satellit SPUTNIK 1960 erster reflektierender Nachrichtensatellit ECHO 1963 erster geostationärer Satellit SYNCOM 1965 erster kommerzieller geostationärer Satellit Early Bird (INTELSAT I): 240 Duplex-Telefonkanäle oder 1 Fernsehkanal, Lebensdauer 1,5 Jahre 1976 drei MARISAT Satelliten für maritime Kommunikation 1982 erstes mobiles Satellitentelefonsystem INMARSAT-A 1988 erstes landmobiles Satellitensystem für Datenkommunikation INMARSAT-C 1993 erste digitale landmobile Satellitentelefonsysteme 1998 globale Satellitentelefonsysteme für Handies KDN / KomNetII - 9. Satellitenkommunikation 305 Feste Satellitenkommunikationssysteme Kommunikation zwischen Satelliten und Gateway- Erdstationen Mobile Satellitenkommunikationssysteme Kommunikation zwischen Satelliten, festen Erdstationen und Mobilstationen (Schiffe, Flugzeuge, Landfahrzeuge,...) Portable Satellitenkommunikationssysteme Kommunikation direkt zwischen Mobilterminals (Handy) und Satelliten KDN / KomNetII - 9. Satellitenkommunikation 306

2 Die drei Generationen in der Übersicht Einsatzgebiete für Satelliten (I) 1500 kg 1000 kg 10 m 500 kg 20 m 30 m 15 m 20 m 10 m 5 m Größe des Sateliten traditionell: Einsatzgebiete für Satelliten (II) Aufbau eines Satellitensystems für Telekommunikation: weltweite Telefonverbindungen Backbone für globale Netze Ersatz für Unterseekabel ( big cable in the sky ) Relais-Stationen zur Funkverbindung zwischen Raumflugkontrollzentren und bemannten oder unbemannten Raumflugkörpern Kommunikationsverbindungen in schwer zugänglichen Gebieten oder unterentwickelten Regionen (Verkabelung nur mit großem Aufwand möglich) weltweite Mobilkommunikation Satellitensysteme als Ergänzung zu zellularen Mobilfunksystemen Integration notwendig! KDN / KomNetII - 9. Satellitenkommunikation 309 Mobile User Link (MUL) gesamtes Ausleuchtungsgebiet (Footprint) PSTN: Public Switched Telephone Network kleinere Zellen (Spotbeams) ISDN Erdantennendurchmesser Wettersatelliten zur Wettervorhersage Gewicht des Satelliten Rundfunk- und Fernsehsatelliten als Verteilmedien Kostengünstig für Empfänger Kleine Empfangsanlagen (Durchmesser cm in Deutschland) militärische Dienste Spionagesatelliten ( Erdfernerkundungssatelliten ) Militärische Sprach- und Datenkommunikation Satelliten zur Navigation und Ortung (GPS) Sehr präzise weltweite Positionsbestimmung bis auf wenige Meter genau Such- und Rettungssatelliten KDN / KomNetII - 9. Satellitenkommunikation 307 KDN / KomNetII - 9. Satellitenkommunikation 308 Intersatellitenverbindung (ISL) Gateway Link (GWL) Bodenstation oder Gateway Benutzerdaten GWL PSTN MUL GSM KDN / KomNetII - 9. Satellitenkommunikation 310

3 Grundlagen für die kreisförmige Umlaufbahn (I) Bei kreisförmigen Umlaufbahnen muss immer der gleiche Abstand zur Erdoberfläche gewahrt sein: Erdanziehungskraft F g, welche die Erde aufgrund der Gravitation auf den Satelliten ausübt: m g ( R / r) Fliehkraft F z, welche versucht, den Satelliten von der Erde wegzuziehen: 2 m r ω 2 Grundlagen für die kreisförmige Umlaufbahn (II) Auflösung der Gleichung nach der Entfernung r des Satelliten vom Erdmittelpunkt: r = 3 2 g R ( 2 π f ) Der Abstand eines Satelliten zur Erdoberfläche hängt lediglich von seiner Umlaufdauer ab! 2 KDN / KomNetII - 9. Satellitenkommunikation 311 KDN / KomNetII - 9. Satellitenkommunikation 312 Zusammenhang von Umlaufdauer und -bahn Umlaufbahnen Geschwindigkeit [ x1000 km/h] Synchrondistanz km Umlaufdauer [h] x10 6 m Radius KDN / KomNetII - 9. Satellitenkommunikation 313 Umlaufbahnen (= Orbits) elliptisch oder kreisförmig bei kreisförmigen Orbits Umlaufdauer von Höhe über Erdoberfläche abhängig Inklination: Neigung des Orbits gegenüber dem Äquator Elevation: Erhebungswinkel des Satelliten über den Horizont Sichtverbindung (LOS = Line of Sight) zum Satelliten für Funkverbindung notwendig höhere Elevation besser, da weniger Abschattung durch Hindernisse KDN / KomNetII - 9. Satellitenkommunikation 314

4 Inklination Elevation Satellitenbahn Ebene der Satellitenbahn Elevation: Einfallswinkel für die Mitte der Strahlungskeule (bezogen auf die Erdoberfläche) Mindestanforderung für Kommunikation: ε = 10 erdnächster Punkt δ Äquatorialebene Inklination δ minimale Elevation: kleinste Elevation, bevor ein neuer Satellit des Systems sichtbar wird ε Footprint Ausleuchtungsgebiet KDN / KomNetII - 9. Satellitenkommunikation 315 KDN / KomNetII - 9. Satellitenkommunikation 316 Sonstige Bahnkenndaten Umlaufdauer Für nicht kreisförmige Umlaufbahnen: Erdnächster Bahnpunkt (Perigäum) Erdfernster Bahnpunkt (Apogäum) Unterschiedliche Geschwindigkeiten! Je näher an der Erde, desto schneller Übertragungsleistung von Satelliten (I) Parameter wie Dämpfung oder empfangene Leistung werden von vier Werten bestimmt: Sendeleistung Antennengewinn (Sender) Abstand von Sender und Empfänger Antennengewinn (Empfänger) 4π r f L = c 2 L: Loss f: carrier frequency r: distance c: speed of light KDN / KomNetII - 9. Satellitenkommunikation 317 KDN / KomNetII - 9. Satellitenkommunikation 318

5 Signaldämpfung und maximale Datenrate Abschwächung ist proportional zum Quadrat der Entfernung Signaldämpfung hat wiederum großen Einfluss auf die maximale Datenrate, die unter bestimmten weiteren Annahmen (Sendeleistung, Antennendurchmesser, Trägerfrequenz) mit einem Satellitensystem erreicht werden kann: Standardantenne für mobile Telefone, Trägerfrequenz 2 GHz, niedrige Umlaufbahn maximale Datenrate 10 kbit/s Gleiche Bedingungen, Umlaufbahn in km Höhe maximale Datenrate 10 bit/s Probleme Übertragungsleistung von Satelliten (II) schwankende Signalstärke auf Grund der Mehrwegeausbreitung Signalunterbrechung auf Grund von Abschattungen (keine LOS) Mögliche Lösungen Signalschwankungen können durch Leistungsreserven ausgeglichen werden Satellitendiversität hilft bei geringerer Sendeleistung (Einsatz mehrerer gleichzeitig sichtbarer Satelliten) KDN / KomNetII - 9. Satellitenkommunikation 319 KDN / KomNetII - 9. Satellitenkommunikation 320 Atmosphärische Dämpfung Orbits I ε Abschwächung des Signals in % Beispiel: Satellitensystem mit 4-6GHz Absorption durch Regen Atmosphärische Absorption Absorption durch Nebel Elevation des Satelliten KDN / KomNetII - 9. Satellitenkommunikation 321 Satellitenorbits werden nach Art und Höhe des Orbits in vier Klassen eingeteilt: GEO: geostationärer Orbit in etwa km Höhe LEO (Low Earth Orbit) in km Höhe MEO (Medium Earth Orbit) oder ICO (Intermediate Circular Orbit) in km Höhe HEO (Highly Elliptical Orbit) elliptische Orbits KDN / KomNetII - 9. Satellitenkommunikation 322

6 Orbits II Geostationäre Satelliten HEO LEO (Globalstar, Irdium) Van-Allen-Gürtel: ionisierte Teilchen in km und in km Höhe (kein Satelliten- Betrieb möglich) Erde km GEO (Inmarsat) MEO (ICO) innerer und äußerer Van-Allen-Gürtel Orbit in km Entfernung von der Erdoberfläche in der Äquatorebene (Inklination 0 ) Umlaufzeit beträgt 1 Tag Satellit bewegt sich synchron mit Erddrehung feste Position der Antennen, kein Nachführen nötig Satellit leuchtet relativ großes Gebiet aus Frequenzen dadurch schlecht wiederbenutzbar durch feste Position über Äquator schlechte Elevation in Breitengraden über 60 hohe Sendeleistungen nötig durch große Entfernung lange Laufzeit: ca ms ungeeignet für flächendeckende Mobilfunkversorgung, daher meist Rundfunk- und Fernsehsatelliten KDN / KomNetII - 9. Satellitenkommunikation 323 KDN / KomNetII - 9. Satellitenkommunikation 324 LEO-Systeme MEO-Systeme Orbit in km Höhe Sichtbarkeitsdauer eines Satelliten Minuten globale Funkversorgung möglich Laufzeit vergleichbar mit terrestrischen Weitverkehrsverbindungen, etwa 5-10 ms kleinere Ausleuchtungsgebiete, bessere Frequenznutzung Gesprächsübergabe (Handover) benötigt viele Satelliten für globale Funkversorgung nötig Frequenzänderung wegen Satellitenbewegung (Doppler-Effekt) Beispiele: Iridium (Betriebsbeginn Sept. 1998, 66 Satelliten) Bankrott! Einstellung der Dienste: März 2000, danach Übernahme durch Boeing Globalstar (Betriebsbeginn 1999, 48 Satelliten) KDN / KomNetII - 9. Satellitenkommunikation 325 Orbit in km Höhe Vergleich mit LEO-Systemen: Geschwindigkeit des Satelliten langsamer weniger Satelliten benötigt weniger starker Doppler-Effekt Verbindungen meist ohne Handover möglich Längere Laufzeiten, etwa ms Höhere Sendeleistung nötig stärker bündelnde (= größere) Antennen für kleine Ausleuchtungsgebiete nötig Beispiele: ICO (Intermediate Circular Orbit, Inmarsat), Start geplant 2000, Bankrott! KDN / KomNetII - 9. Satellitenkommunikation 326

7 HEO-Systeme Satelliten mit elliptischen Umlaufbahnen Nur wenige derartige kommerzielle Systeme derzeit in Planung Vorteil: Im erdnahen Bereich sehr kurze Signallaufzeiten, z.b. über Großstädten Nachteil Satelliten an manchen Stellen auf der Umlaufbahn nicht nutzbar KDN / KomNetII - 9. Satellitenkommunikation 327 Gemeinsame Uplink- Frequenzen Satellitenkommunikation - Zugriff Satellit Geostationäre Satelliten: Downlink- Frequenz Satellit KDN / KomNetII - 9. Satellitenkommunikation Downlink... Uplink Synchron zur Erdrotation in der Äquatorebene Satellit kann in einem Umkreis von bis zu ca. 70 km driften. Getrennte Frequenzbänder für Aufwärts- (Uplink) und Abwärtstransfer (Downlink) im GHz-Bereich Uplink Downlink Frequenzbereiche von C-Band 6GHz 4GHz geostationären Satelliten: Ku-Band 14GHz 12GHz Ka-Band 30GHz 20GHz Erdstationen Satellitenkommunikation - Bezeichnungen Erdstation Uplink Ausleuchtzone (Footprint) Satellit Raumwürfel Kantenlänge 70 km Downlink KDN / KomNetII - 9. Satellitenkommunikation 329 Zugriffsverfahren SDMA/FDMA/TDMA SDMA (Space Division Multiple Access) Einteilung des Raums in Sektoren, gerichtete Antennen vgl. Zellenstruktur FDMA (Frequency Division Multiple Access) zeitlich gesteuerte Zuordnung eines Übertragungskanals zu einer Frequenz permanent (z.b. Rundfunk), langsames Springen (z.b. GSM), schnelles Springen (FHSS, Frequency Hopping Spread Spectrum) TDMA (Time Division Multiple Access) zeitlich gesteuertes Zugriffsrecht eines Übertragungskanals auf eine feste Frequenz CDMA (Code Division Multiple Access) Codierung bestimmt den Sender KDN / KomNetII - 9. Satellitenkommunikation 330

8 FDD/FDMA hier am Beispiel GSM TDD/TDMA hier am Beispiel DECT f 960 MHz MHz 915 MHz MHz 200 khz 417 µs Abwärtsrichtung Aufwärtsrichtung t MHz 1 KDN / KomNetII - 9. Satellitenkommunikation 331 t KDN / KomNetII - 9. Satellitenkommunikation 332 Satellitenzugriff: Starres Zeitmultiplex Aloha Erdstation A A A Rahmen n+1 Rahmen n A B C A B C Rahmen n Rahmen n+1 Rahmen n Rahmen n+1 B B Erdstation B Rahmen n+1 C B A C B A C C Rahmen n Rahmen n+1 Rahmen n+1 C B A C B A Rahmen n Rahmen n Erdstation C KDN / KomNetII - 9. Satellitenkommunikation 333 Zugriffsverfahren Zufällig nicht zentral gesteuert Zeitmultiplex Sender A Sender B Sender C Kollision KDN / KomNetII - 9. Satellitenkommunikation 334 t

9 Slotted Aloha Slotted Aloha führt zusätzlich gewisse Zeitschlitze ein, in denen ausschließlich gesendet werden darf Synchronisierung notwendig Kollision Quelle: Krüger 2000 Vergleich der Aloha-Verfahren mit CSMA/CD Sender A Sender B Sender C t KDN / KomNetII - 9. Satellitenkommunikation 335 KDN / KomNetII - 9. Satellitenkommunikation 336 Probleme der Aloha-Verfahren Ausnutzung des Kanals bei Aloha (18%) und Slotted Aloha (36%) nur sehr gering (Annahme von Poisson-Verkehr). Mit Hilfe von Vorabreservierung kann dies auf 80% erhöht werden. DAMA - Demand Assigned Multiple Access Sender reserviert einen zukünftigen Zeitschlitz innerhalb dieses Zeitschlitzes kann dann ohne Kollision sofort gesendet werden dadurch entsteht aber auch eine höhere Gesamtverzögerung typisch für Satellitenstrecken Beispiele für Reservierungsalgorithmen: Explizite Reservierung nach Roberts Implizite Reservierung (Reservation-ALOHA) Reservation-TDMA KDN / KomNetII - 9. Satellitenkommunikation 337 KDN / KomNetII - 9. Satellitenkommunikation 338

10 Zugriffsverfahren DAMA: Explizite Reservierung Explizite Reservierung: Zwei Modi: ALOHA-Modus für die Reservierung: In einem weiter aufgegliederten Zeitschlitz kann eine Station Zeitschlitze reservieren. Reserved-Modus für die Übertragung von Daten in erfolgreich reservierten Zeitschlitzen (keine Kollision mehr möglich). Wesentlich ist, dass die in den einzelnen Stationen geführten Listen über Reservierungen miteinander zu jedem Punkt übereinstimmen, daher muss mitunter synchronisiert werden. Zugriffsverfahren DAMA: Explizite Reservierung Ablauf Kollision Aloha Reserved Aloha Reserved Aloha Reserved Aloha KDN / KomNetII - 9. Satellitenkommunikation 339 KDN / KomNetII - 9. Satellitenkommunikation 340 Zugriffsverfahren DAMA: PRMA Zugriffsverfahren DAMA: PRMA Ablauf Implizite Reservierung (PRMA - Packet Reservation MA): Eine bestimmte Anzahl von Zeitschlitzen bilden einen Übertragungsrahmen, der sich zyklisch wiederholt. Stationen belegen einen (leeren) Zeitschlitz gemäß dem Slotted ALOHA -Prinzip. Ein einmal erfolgreich belegter Zeitschlitz bleibt in allen darauffolgenden Übertragungsrahmen der erfolgreichen Station zugewiesen, aber nur solange, bis diese den Zeitschlitz nicht mehr benötigt und dieser somit leer bleibt. Reservierung ACDABA-F ACDABA-F AC-ABAF- A---BAFD ACEEBAFD Zeitschlitz: Rahmen 1 Rahmen 2 Rahmen 3 Rahmen 4 Rahmen A C D A B A F A C A B A A B A F A B A F D A C E E B A F D Kollision bei der Belegung t KDN / KomNetII - 9. Satellitenkommunikation 341 KDN / KomNetII - 9. Satellitenkommunikation 342

11 Zugriffsverfahren DAMA: Reservation-TDMA Zugriffsverfahren DAMA: Reservation-TDMA Ablauf Reservation Time Division Multiple Access Ein Rahmen besteht aus N Minizeitschlitzen und x Datenzeitschlitzen. Jede Station hat ihren Minizeitschlitz und kann darin bis zu k Datenzeitschlitze reservieren (d.h. x= N * k). Im Daten-Teil des Rahmens können nicht benutzte Zeitschlitze gemäß Round-Robin-Methode von anderen Stationen mitverwendet werden. N Minischlitze Reservierung für diesen Datenbereich N * k Datenschlitze Rahmen z.b. N=6, k=2 freie Zeitschlitze können zusätzlich gemäß Round-Robin mitbenutzt werden. KDN / KomNetII - 9. Satellitenkommunikation 343 KDN / KomNetII - 9. Satellitenkommunikation 344 Codemultiplex Wegewahlprobleme Sendung ist durch persönlichen Code charakterisiert Alle Teilnehmer können zur selben Zeit im selben Frequenzabschnitt senden Vorteile: Bandbreiteneffizienz keine Koordination und Synchronisation notwendig Schutz gegen Störungen Nachteile: Benutzerdatenrate begrenzt komplex wegen Signalregenerierung Realisierung: Spreizspektrumtechnik k 1 t k 2 k 3 k 4 k 5 k 6 c f Lokalisierung der mobilen Teilnehmer Vermittlung einer Kommunikationsverbindung Gesprächsübergabe (Handover) KDN / KomNetII - 9. Satellitenkommunikation 345 KDN / KomNetII - 9. Satellitenkommunikation 346

12 Voraussetzungen zum Lokalisieren von Mobilstationen Systeme benutzen ähnliche Mechanismen wie bei GSM In Bodenstationen oder Gateways werden Benutzerdaten abgelegt HLR (Home Location Register): Stammdaten des Teilnehmers VLR (Visitor Location Register): (letzter) Aufenthaltsort des TN SUMR (Satellite User Mapping Register): zugeordneter Satellit des TN Positionen aller Satelliten Kommunikationsverbindungen über Satelliten Anmeldung einer Mobilstation: Feststellen der Position durch den Satelliten Anforderung der Benutzerdaten im HLR Neuzuordnung des VLR und SUMR Anrufen einer Mobilstation: Feststellen der Position der Mobilstation über die Register Verbindungsaufbau über entsprechenden Satelliten KDN / KomNetII - 9. Satellitenkommunikation 347 KDN / KomNetII - 9. Satellitenkommunikation 348 Einfache Vermittlungsfunktion Wegewahl in Satelliten (I) Satellit nur einfacher Repeater Umsetzen des Uplinks auf den Downlink Kommunikation nur mit Erdstationen Einfach Langsam (0,25 s Verzögerung über einen geostationären Satelliten!), wenn mehrere Satelliten genutzt werden sollen: Verbesserungsmöglichkeit: Intersatellitenlinks (ISL) reduziert Anzahl erforderlicher Gateways Gespräche werden so weit wie möglich über Satelliten geführt (weniger Gebühren für terrestrische Netze) bei Verbindung zweier Mobilstationen nur ein Uplink und ein Downlink nötig KDN / KomNetII - 9. Satellitenkommunikation 349 KDN / KomNetII - 9. Satellitenkommunikation 350

13 Wegewahl in Satelliten (II) Handover Probleme: präzise Ausrichtung der Antennen komplex kompliziertes Regelungssystem wegen Eigenbewegung der Satelliten nötig höherer Treibstoffverbrauch kürzere Lebensdauer Iridium und Teledesic mit ISL geplant Andere Systeme benutzen Gateways und terrestrische Netze Wechsel des physikalischen Kanals, ohne dass eine bestehende Verbindung unterbrochen wird Wesentliches Leistungsmerkmal eines Mobilfunknetzes Notwendigkeit des Handovers besonders bei MEOs und LEOs, da diese sich relativ zur Erdoberfläche bewegen LEOs : 7 km/s KDN / KomNetII - 9. Satellitenkommunikation 351 KDN / KomNetII - 9. Satellitenkommunikation 352 Bewegung einer Ausleuchtzone Ausleuchtzone Beispiel IRIDIUM Bahngeschwindigkeit des Satelliten (ca km/h) Ausleuchtzone Radius=250km Zellfläche = km 2 (IRIDIUM) In einer Minute neue überflogene Fläche (dunkle Fläche) = km 2 Geschwindigkeit aufgrund der Erdrotation (ca km/h) KDN / KomNetII - 9. Satellitenkommunikation 353 t=0 min. t=1 min. KDN / KomNetII - 9. Satellitenkommunikation 354

14 Häufigkeit von Handover-Ereignissen Handover-Typen in Satellitensystemen Beispiel IRIDIUM In einer Minute überfliegt eine IRIDIUM-Satellitenzelle eine Fläche, die 1,12 mal so groß ist wie die Zellfläche Bei einem Verkehrsaufkommen von 80 Erl. beträgt die Zahl der Handover-Ereignisse durchschnittlich 80 1,12 = 90 pro Minute Die Zahl neuer Verbindungen bei einer durchschnittlichen Gesprächsdauer von 2 Minuten und 80 Erl. Verkehr beträgt 40 pro Minute Die Zahl der Handover-Ereignisse ist also um den Faktor 2,25 größer! Intrasatelliten-Handover Intersatelliten-Handover Gateway-Handover Intersystem-Handover Komplexität KDN / KomNetII - 9. Satellitenkommunikation 355 KDN / KomNetII - 9. Satellitenkommunikation 356 Intrasatelliten-Handover Intersatelliten-Handover von einem Spotbeam zum nächsten Mobilstation noch im Footprint des Satelliten, aber in anderer Zelle Verbindung wird innerhalb des Satelliten von einem Spot in den nächsten umgelenkt KDN / KomNetII - 9. Satellitenkommunikation 357 Handover von einem Satelliten zum nächsten Mobilstation nicht mehr im Footprint eines Satelliten Relevant: Auswahl eines geeigneten Satelliten beim Verbindungsaufbau / beim Handover: Satellit, der über einen möglichst langen Zeitraum sichtbar bleibt Eventuell Verschlechterung der Kanalparameter, da auch ungünstige, noch akzeptable Elevationen auftreten können Satellit, der optimale Kanalparameter aufweist Wahrscheinlich viele Handover notwendig KDN / KomNetII - 9. Satellitenkommunikation 358

15 Verfahren zur Auswahl des Satelliten (I) Maximierung des momentanen Elevationswinkels Auswahl des Satelliten mit dem momentan größten Elevationswinkel Handover werden auch schon bei noch ausreichender Verbindungsqualität durchgeführt Verringerte Abschattungswahrscheinlichkeit Eventuell viele unnötige Handover Verfahren zur Auswahl des Satelliten (II) Minimierung der Intersatelliten-Handoverrate Handover erst bei Erreichen eines vorgegebenen minimalen Elevationswinkels ε min Auswahl des noch am längsten sichtbaren Satelliten Dazu Positionsbestimmung der Mobilstation erforderlich Niedrige Handover-Rate bei zeitweise unakzeptabler Verbindungsqualität KDN / KomNetII - 9. Satellitenkommunikation 359 KDN / KomNetII - 9. Satellitenkommunikation 360 Gateway-Handover Intersystem-Handover Gateway-Handover Handover von einem Gateway zum nächsten Mobilstation noch im Footprint des Satelliten, aber Gateway nicht mehr in diesem Footprint Verbindung muss im Festnetz umgeleitet werden! Integration von Satellitennetzen in terrestrische Zellularnetze Wechsel einer aktiven Verbindung von einer terrestrischen Zelle zu einer Satellitenzelle (Spotbeam) oder umgekehrt Typische Anwendungen: Unterstützung lokaler Zellularnetze durch das Satellitennetz in stadtfernen Gebieten KDN / KomNetII - 9. Satellitenkommunikation 361 KDN / KomNetII - 9. Satellitenkommunikation 362

16 Overlay-Netzwerke Intersystem-Handover am Beispiel GSM Integration heterogener Fest- und Mobilnetze mit stark variierenden Übertragungscharakteristika Regionalnetze S-VLR Vertikaler Handover Stadtnetze SRSS VLR HLR Campusnetze Horizontaler Handover BTS BSC MSC SS7 Gebäudenetze KDN / KomNetII - 9. Satellitenkommunikation 363 KDN / KomNetII - 9. Satellitenkommunikation 364 Geostationäre Satellitensysteme Konfiguration der Inmarsat- Betriebssatelliten Primär nur für ortsfeste Dienste geeignet DTAG bietet seit 1982 satellitengestützte Mobilfunkdienste über die Inmarsat-Organisation (International Maritime Satellite Organisation) Deutschland ist seit 1979 Mitglied dieser Organisation, deren Sitz London ist Die von Inmarsat angebotenen Dienste beschränkten sich ursprünglich nur auf den maritimen Einsatz Das Inmarsat-Satellitensystem besteht aus 11 Satelliten, vier Betriebs- und 7 Reservesatelliten Reservesatelliten können von verschiedenen Organisationen angemietet werden KDN / KomNetII - 9. Satellitenkommunikation 365 KDN / KomNetII - 9. Satellitenkommunikation 366

17 LEO-Systeme IRIDIUM Seit 1990 hat Motorola inc. die Entwicklung des IRIDIUM-Systems bekannt gegeben Der Betrieb von IRIDIUM wurde im März 2000 (bei Nutzern) eingestellt Deorbiting war geplant (Kosten 50 Mio. US$) Ein Zusammenschluss (Boeing, US DoD) hat das IRIDIUM-Projekt (vorläufig) gerettet Jetziger Betreiber Iridium Satellite LLC, Übernahmekosten 25 Mio. US$ Firma in U.S.A., um 2 Mrd. US$ von Motorola als Schadensersatz einzuklagen Direkter Konkurrent Globalstar Drittes Quartal 2000: Die Wachstumsrate von Globalstar sowohl bei den Kundenzahlen als auch bei der Nutzung ist stetig, aber dennoch unannehmbar langsam ( Nutzer) Ursprünglich mit 77 Satelliten geplant (Element Iridium hat 77 Elektronen) Betrieb mit 66 Satelliten plus 6 Reservesatelliten Erstes kommerzielles LEO-System, das die gesamte Welt abdeckt Satelliten kreisen in 780 km Höhe Satelliten wiegen ca. 700 kg Relativ hohes Gewicht wegen ISL-Unterstützung KDN / KomNetII - 9. Satellitenkommunikation 367 KDN / KomNetII - 9. Satellitenkommunikation 368 Ausleuchtzone des IRIDIUM-Systems Globalstar 48 Satelliten plus 4 Reservesatelliten Einfachere Satelliten, da kein ISL unterstützt wird Gewicht des Satelliten ca. 450 kg Dadurch geringeres Startgewicht der Raketen Keine weltweite Abdeckung (nur Gebiete zwischen 70 nördlicher und südlicher Breite), dafür größere Bandbreite Weicher Übergang von einem Satelliten zum nächsten durch CDMA und gleichzeitigem Empfang mehrerer Satelliten KDN / KomNetII - 9. Satellitenkommunikation 369 KDN / KomNetII - 9. Satellitenkommunikation 370

18 Ausleuchtzonen des Globalstar-Systems Ausleuchtung gemäß Web-Site KDN / KomNetII - 9. Satellitenkommunikation 371 KDN / KomNetII - 9. Satellitenkommunikation 372 Teledesic Satellitenbahnen im Teledesic-System Unternehmen 1990 gegründet von Craig McCaw und Bill Gates Weltweites breitbandiges Satellitennetz Breitbandiger Internet-Zugang Kundengruppe umfasst Firmen, Schulen, Krankenhäuser,... Ziel: 64 Mbit/s Downlink 2 Mbit/s Uplink (mit speziellen Antennen sogar 64 Mbit/s) Erste Komponenten des Systems sollen 2003 in Betrieb gehen Planung: 288 Satelliten + Reserve KDN / KomNetII - 9. Satellitenkommunikation 373 KDN / KomNetII - 9. Satellitenkommunikation 374

19 ICO ICO-Ausleuchtzone MEO-System Unternehmensgründung ICO (Intermediate Circular Orbit) für Inmarsat-P21-Projekt 10 Satelliten in zwei Bahnen mit 45 Inklination, 2 Reserve-Satelliten Auswahl des Satelliten mit der besten Kanalqualität, durchschnittliche Elevation 40 Satellitengewicht kg Lebensdauer 12 Jahre Im Jahr 2000 bankrott KDN / KomNetII - 9. Satellitenkommunikation 375 KDN / KomNetII - 9. Satellitenkommunikation 376 Übersicht über vorgestellte MEO/LEO-Systeme Kostenvergleich Iridium Globalstar ICO Teledesic # Satelliten Höhe (km) ca. 700 Abdeckung global ±70 Breite global global min. Elevation Frequenzen [GHz (circa)] 1,6 MS 29,2 19,5 23,3 ISL 1,6 MS 2,5 MS 5,1 6,9 2 MS 2,2 MS 5, ,8 62 ISL Zugriffs- FDMA/TDMA CDMA FDMA/TDMA FDMA/TDMA methode ISL yes no no yes Datenrate 2,4 kbit/s 9,6 kbit/s 4,8 kbit/s 64 Mbit/s 2/64 Mbit/s # Kanäle Lebensdauer 5-8 7, [Jahre] Kosten (grobe 4,4 Mrd 3 Mrd 4,5 Mrd 9 Mrd Abschätzung) Bankrott!? Bankrott!? Übernahme KDN / KomNetII - 9. Satellitenkommunikation 377 Betreiber Systemkosten (Mio. US$) Gesprächsminute (US$) Endgerätekosten (US$) IRIDIUM Urspr. Motorola 3,7 2, Globalstar Loral Qualcomm 2 0,4+X 550 2,6 750 ICO INMARSAT 1,25+X Teledesic Microsoft, McCaw Cellular KDN / KomNetII - 9. Satellitenkommunikation 378 9

20 Datendienste über Satellit, Beispiel Astra Literatur IP Multicast Streaming High Speed Internet Access Quelle: KDN / KomNetII - 9. Satellitenkommunikation 379 KRÜGER, G.: Praktikum Telematik. Versuchsunterlagen, Institut für Telematik, Universität Karlsruhe (TH). Sommersemester KRÜGER, G. ; RESCHKE, D. (Hrsg.): Lehr- und Übungsbuch Telematik. München,Wien : Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag, ISBN SCHILLER, J.: Mobilkommunikation Techniken für das allgegenwärtige Internet. 1. Auflage, München; Boston; San Francisco : Addison-Wesley, 2000 (net.com Networking & Communications). ISBN WALKE, B.: Informationstechnik. Bd. 2: Bündelfunk; schnurlose Telefonsysteme; W-ATM; HIPERLAN; Satellitenfunk; UPT: Mobilfunknetze und ihre Protokolle. 2. Auflage Stuttgart; Leipzig; Wiesbaden : B.G. Teubner GmbH, ISBN (Quelle für Bilder der Ausleuchtzonen) KDN / KomNetII - 9. Satellitenkommunikation 380