Angewandte Informationstechnik Satellitenübertragung Schichtenmodell von Kommunikationssystemem Bachelorstudiengang Angewandte Medienwissenschaften Sommersemester 2011 Dr.-Ing. Alexander Ihlow
Angewandte Informationstechnik Satellitenübertragung / Schichtenmodell Meilensteine der Satellitenkommunikation 1945 Aufsatz von Arthur C. Clark über Extra Terrestrial Relays 1954 Nutzung des Monds als Reflektor für Radiowellen 1957 SPUTNIK I - erster Satellit im All, Sputnikschock in den USA 1958 Start des US-Satelliten Explorer I 1958 SCORE (Signal Communication by Orbiting Relay ) - erster experimenteller Nachrichtensatellit der USA. Funkte eine aufgezeichnete Weihnachtsbotschaft Präsident Eisenhowers zur Erde und verglühte nach 13 Tagen. 1960 ECHO 1 (1A) ballonähnlicher passiver Kommunikationssatellit (Reflexion von Funkwellen) 1960 Courier 1B erster aktiver Nachrichtensatellit (nur 17 Tage in Betrieb) 1962 Telstar 1, Aktiver Kommunikationssatellit ermöglicht Live-Sendungen über den Atlantik 1962 Relay-1 erster Nachrichtensatellit für Verbindungen zwischen Europa u. USA 1963 SYNCOM 1, 2, 3 - Erste geosynchrone und geostationäre Satelliten 1965 INTELSAT 1 Early Bird - Erster geostationärer kommerzieller Nachrichtensatellit für eine ständige Verbindung USA und Europa, 240 Duplex-Telefonkanäle oder ein Fernsehkanal Seite 2
Arthur Charles Clarke: Extraterrestrial Relays * 1917 in England, 2008 Sri Lanka Science-Fiction-Schriftsteller 1945: Arthur C. Clarke: Extraterrestrial Relays veröffentlichte in der Zeitschrift Wireless World seine Idee von einem künstlichen Erdtrabanten, dessen Bahn um die Erde so gewählt ist, dass dessen Umlaufzeit genau 24 Stunden beträgt und von der Erde aus betrachtet 36.000 km über dem Äquator (geostationär) scheinbar stillsteht. Radioimpulse von der Erde zu dem künstlichen Himmelskörper (Satelliten als Relaisstationen) werden von dort zurückgestrahlt. Keine (oder nur minimale) Nachführung der Antenne notwendig. Drei Satelliten würden reichen, um die Erdoberfläche (außer den Polen) abzudecken. Seite 3
Idee von Arthur C. Clarke: Extraterrestrial Relays Ausschnitt (Bild 3) aus dem Originalpaper: Wireless World, October 1945, Seiten 305-308 Seite 4
Idee von Arthur C. Clarke: Extraterrestrial Relays Bild 3 der Veröffentlichung (vorherige Folie) zeigt die Funktion des Satelliten als Relaisstation über der Erde und wie drei Satelliten in einer weltweiten Abdeckung Nachrichten und Telefongespräche übertragen. Obwohl zu dieser Zeit Raketen nur 100 km Höhe erreichten, wurde die Idee von drei Satelliten in 36.000 km Höhe über dem Äquator zur vollständigen Abdeckung die Erde aufgegriffen und verfolgt. Die Satelliten waren hierbei noch bemannt und eher in der Form von Raumstationen angedacht. Der geostationäre Orbit wird heute noch zu Ehren des Autors manchmal Clarke-Belt genannt. Die Realisierung der Idee wurde auch durch die politische Situation ( Kalter Krieg ) vorangetrieben Die USA formulierte 1955 ein Satellitenforschungsprogramm. Vier Tage später reagierte die Sowjetunion mit einem ähnlichen Programm. Wenige Jahre danach erfolgte die technische Umsetzung. Seite 5
Angewandte Informationstechnik Satellitenübertragung / Schichtenmodell www.sciencemuseum.org.uk/on-line/clarke/ww1.asp Seite 6
Angewandte Informationstechnik Satellitenübertragung / Schichtenmodell Seite 7
Beginn des Weltraumzeitalters: Start des ersten künstlichen Satelliten Sputnik durch die Sowjetunion Start des ersten Satelliten am 4. Oktober 1957 Daten: 83,6 kg, Durchmesser 58 cm Sendete 3 Wochen seine Radiosignale (1 Watt) auf 20 und 40 MHz, ca. 1 Monat zur Erde Start mit SS-6 Rakete Orbit in 227-947 km Höhe bis 4. Januar 1958 (verglühte nach 92 Tagen) 1400 Erdumkreisungen (ca. 98 min / Umrundung) http://nssdc.gsfc.nasa.gov/database/ MasterCatalog?sc=1957-001B Seite 8
Genutzte Umlaufbahnen von Satelliten Man unterscheidet allgemein zwischen äquatorialen (Inklination i = 0º), inklinierten (Inklination i = 40º 80º) und polaren (Inklination i 90º) Orbits. Je nach Höhe unterscheidet man zwischen Low Earth Orbit (LEO): 200-1.500 km Polar Earth Orbit (PEO) Medium Earth Orbit (MEO): 5.000 12.000 km Geostationary Orbit (GEO): 35.786 km Inclined Geosynchronous Orbit (IGSO) Highly Elliptical Orbit (HEO): Perigäum: 200 15.000 km, Apogäum: 50.000 400.000 km Seite 9
Im Jahr 2010: http://www.boeing.com/defense-space/space/bss/launch/980031_001.pdf Seite 10
http://de.wikipedia.org/wiki/liste_der_geostationären_satelliten Seite 11
Schichtenmodell von Kommunikationssystemen Abbildung der einzelnen Aufgaben auf verschiedene Schichten (layers) OSI-Modell, auch OSI-Referenzmodell (Open Systems Interconnection Reference Model) Schicht 7 Anwendungsschicht Schicht 6 Darstellungsschicht Schicht 5 Sitzungsschicht Schicht 4 Transportschicht Schicht 3 Vermittlungsschicht Schicht 2 Sicherungsschicht Schicht 1 Bitübertragungsschicht TCP/IP-Referenzmodell (TCP/IP model) Anwendung (OSI-Schichten 7-5) Transport (OSI-Schicht 4) Internet (OSI-Schicht 3) Netzzugang (OSI-Schichten 2-1) Seite 12
OSI-Modell Angewandte Informationstechnik Satellitenübertragung / Schichtenmodell Schicht 7 Anwendungsschicht, auch Verarbeitungsschicht, Anwenderebene (Application Layer) Verschafft den Anwendungen Zugriff auf das Kommunikationsnetz, z.b. E-Mail, Webbrowser, Remote login, Dateiübertragung Schicht 6 Darstellungsschicht, auch Datenbereitstellungsebene (Presentation Layer) Umsetzung systemabhängiger Datendarstellungen in eine unabhängige Form Datenkompression Datenverschlüsselung Schicht 5 Sitzungsschicht (Session Layer) Organisation und Synchronisation des Datenaustauschs, z.b. Synchronisation und Wiederaufnahme einer Übertragung nach dem Ausfall einer Transportverbindung, ohne dass die Übertragung wieder von vorn beginnen muss Seite 13
OSI-Modell Angewandte Informationstechnik Satellitenübertragung / Schichtenmodell Schicht 4 Transportschicht, auch Ende-zu-Ende-Kontrolle (Transport Layer) Segmentierung des Datenstroms und Stauvermeidung Bereitstellung eines einheitlichen Zugriffs für Schicht 5-7, ohne dass diese die Eigenschaften des Kommunikationsnetzes berücksichtigen müssen, z.b. TCP (Transmission Control Protocol) UDP (User Datagram Protocol) Schicht 3 Vermittlungsschicht, auch Paketebene (Network Layer) Bei leitungsorientierten Diensten: Schalten von Verbindungen bei paketorientierten Diensten: Weitervermittlung von Datenpaketen Wegesuche (Routing) zwischen Netzwerkknoten Bereitstellung netzwerkübergreifender Adressen, z.b. bei IP (Internet Protocol): IP-Adresse Seite 14
OSI-Modell Angewandte Informationstechnik Satellitenübertragung / Schichtenmodell Schicht 2 Sicherungsschicht, auch Verbindungssicherungsschicht (Data Link layer) Gewährleistung einer zuverlässigen, d.h., weitgehend fehlerfreien Übertragung Aufteilung des Datenstroms in Blöcke Hinzufügen von Prüfsummen Erneute Anforderung von fehlerhaften Blöcken Zugriffsregelung auf das Übertragungsmedium Beispiel: Ethernet-Protokoll Schicht 1 Bitübertragungsschicht (Physical Layer) Bitübertragung auf einer leitungsgebundenen oder leitungslosen Übertragungsstrecke, z.b. mittels Elektrischer Signale, optischer Signale, elektromagnetischer Wellen, Schall Seite 15
Kommunikation im OSI-Modell http://de.wikipedia.org/wiki/osi-modell Seite 16