Satellitenkommunikation, 2. Auflage

Hans Dodel · Sabrina Eberle Satellitenkommunikation

Hans Dodel · Sabrina Eberle

Satellitenkommunikation 2., korrigierte und erweiterte Auflage Mit 151 Abbildungen und 62 Tabellen

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Dipl. Ing. Hans Dodel DodelSatelliteCommunications Tulpenstr. 7 82131 Gauting [email protected] Dipl. Ing. Sabrina Eberle German Space Operations Center (GSOC) Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) Münchner Str. 20 82234 Oberpfaffenhofen [email protected]

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Vorwort

Im Jahre 1901 gelang Guglielmo Marconi die Morseverbindung von England nach Amerika. 2004 startete die NASA eine Raumsonde zum Mars, die u.a. das INTERNET zum roten Planeten aufbauen soll – in 100 Jahren von der schmalbandigen ¨ Punkt-Strich-Ubertragung zur breitbandigen multimedialen IP-Kommunikation. Die letzten zehn Jahre sahen mehr Fortschritt in der Satellitenkommunikation als die zwanzig Jahre davor. Die 16PSK Modulation bringt (endlich) die dringend ben¨otigte Bandbreiten¨ effizienz (≈ 3 bps/Hz) f u¨ r die breitbandige Ubertragung (Broadband Interactive); die 64 QAM wird > 4 bps/Hz bringen. Die Turbocodes f u¨ r den Fehlerschutz der ¨ Ubertragung u¨ ber Satellit bieten bis zu 10 dB Codiergewinn, was 10 dB Leistung ¨ einspart, und damit auch die Ubertragung bei H¨ochstfrequenzen erm¨oglicht. Der lange anstehende Schritt zum n¨achst h¨oheren Frequenzband im Spektrum, dem Ka-Band (30/20 GHz), wird endlich begangen, in Europa, USA und Asien. Die seit den siebziger Jahren angestrebte bordseitige Signalverarbeitung und Vermittlung (On Board Processing; OBP) hat in Inmarsat-4 und anderen Satelliten den Dienst aufgenommen, zur h¨oheren Kapazit¨atsnutzung der Satelliten. Effiziente Antennen werden verf u¨ gbar – die Phased Arrays, am Satelliten und am Boden, eine zweidimensionale Apertur, die auch mehrere Satelliten empfangen kann und dieses auch im mobilen Einsatz, ohne mechanisch bewegliche Teile. WorldSpace strahlt digitalen Rundfunk in Europa aus dem geostation¨aren Orbit ab; Sirius ist mit digitalem Rundfunk in USA auf Sendung gegangen: CD-Radio u¨ ber Satelliten in HEO-Bahnen; XM-Radio arbeitet in USA mit zwei GEO Satelliten. Damit hat der Satellit beim digitalen Rundfunk die terrestrischen Sender in Reichweite u¨ berholt. Intelsat, Inmarsat, Eutelsat und Intersputnik sind privatisiert. Die vielen Raumfahrtfirmen des Westens, mit mehr als 24 Satellitenauftr¨age pro Jahr weltweit, sind konsolidiert. Die Satelliten f u¨ r interaktive multimediale Breitbanddienste gingen in Dienst, auch u¨ ber Europa, und in der satellitengest¨utzten Funkortung kommt das europ¨aische GALILEO.

VI

Vorwort

Die Wachstumsraten der Kommunikation seien enorm: Die Deutsche Bundespost sagte Ende der 80er Jahre noch bis zu 4 Millionen Handys zum Ende der 90er Jahre in Deutschland voraus. Dann waren es 40 Millionen – ein 10 dB-Fehler. Von 1863 bis 1993 wuchs die Zahl der Festtelefone auf eine Milliarde; in der kurzen Zeit von ca. 1988 bis 2003 kamen eine Milliarde Handys dazu, plus 10 Millionen Satelliten-Handys. Der Internet-Verkehr verdoppelte sich alle 300 Tage; 10% davon geht via Satellit und nahm 2004 ca. 200 Mrd € ein. Und die Technik entwickelt sich weiter. 1965 arbeitete INTELSAT-I mit seiner Dipolantenne mit Erdfunkstellen von 30 m Durchmesser; heute arbeiten Satellitenantennen mit 30 m Durchmesser in die Dipolantennen am Handy. ¨ Die Ubertragung von hundert Fernsehprogrammen zum Traumschiff (im C¨ im maritimen und Band) und zum Flugzeug (im Ku-Band) er¨offnet eine neue Ara aeronautischen Mobilfunk – globale Anwendungen, die nur u¨ ber Satellit m¨oglich sind. Aber auch die Satellitenkommunikation musste durch eine„Neue Markt Phase“. So wie diese 1999 auf wundersame Weise Brot zu vermehren versprach, ohne Mehl und insbesondere ohne B¨acker, versprachen Raumfahrt- und Elektronikhersteller ohne Erfahrung in der Kommunikation, grosse Profite mit dem Betrieb von vielen tief fliegenden Satelliten. Vier globale Systeme wurden finanziert, und alle vier sind im Verlauf des Jahres 2000 bankrott gegangen – ein Finanzfiasko in Milliardenh¨ohe. Andere, insbesondere eines mit urspr¨unglich knapp 1 000 Satelliten, wurden gar nicht erst finanziert – und all das, obwohl die Negativprognosen vorlagen. Bob Whelan (Hughes) hatte 1990 eindringlich gewarnt und das System Tritium propagiert, das im Gegensatz zu Iridium (dem Atom mit den 77 Elektronen) mit nur drei Satelliten in der geostation¨aren Bahn globale Bedeckung bietet, wie dies von Arthur C. Clark am 15.05.1945 vorgeschlagen wurde. Das Tritium-Konzept siegte dann u¨ ber die Tiefflieger-Euphorie. Die SuperGEOs f u¨ r die Kommunikation mit dem Handy nahmen zeitgleich mit den Schw¨armen von tief fliegenden Satelliten den Dienst auf (2000) und haben ungleich h¨ohere Kapazit¨at bei deutlich niedrigeren Kosten (ein globales SuperGEO System kostet weniger als 1 Mrd € mit 15 Jahren Lebensdauer; einer der Schw¨arme mit 7,5 Jahren Lebensdauer kostete 10 Mrd $).Die Systeme Thuraya (im Nahen Osten) und Garuda (im Fernen Osten) bedienen heute die Handys aus dem geostation¨aren Orbit, mit niedrigen Handy-Sendeleistungen. Neben der ganzheitlichen Beschreibung der Satellitenkommunikation widmet sich dieses Buch diesen Technologieentwicklungen und den Nutzungsm¨oglichkeiten, die sich daraus ergeben, in einer Zeit, in der wir heute unser DVB/RCS/S2 Terminal zuhause haben, damit 2 Mbit/sec senden und zwischen 8 und 34 Mbit/sec empfangen (downloaden), um zu „internetten“. Diese Broadband Interactive Sys¨ der Kommunikation eingel¨autet, aus dem geostation¨aren tems haben die neue Ara Orbit. Obwohl die Kapazit¨at von transatlantischen Tiefseekabel mit u¨ ber 600 Gbit/sec den aggregaten Durchsatz aller Kommunikationssatelliten dieserWelt u¨ berschreitet,

Vorwort

VII

besteht ein Markt f u¨ r beide; sie sind komplemen¨ar. Kabel haben den h¨oheren Durchsatz aber extrem begrenzte Fl¨achendeckung und niedrigere Zuverl¨assigkeit. Satelliten haben volle Fl¨achendeckung und, mit zwanzig Jahren Lebensdauer, hohe Wirtschaftlichkeit. Etwa 5000 Satelliten wurden zwischen Oktober 1957 und September 2001 erfolgreich in den Orbit und den Wirkbetrieb genommen. Es sind heute etwa 270 Kommunikationssatelliten im LEO, 40 im MEO und 580 im GEO (240 davon im kommerziellen Betrieb). Die Kommunikation u¨ ber Satelliten bleibt ein lukrativer Nischenmarkt, mit ihren technischen, aber auch wirtschaftlichen Fassetten; das Faszinosum Satellitenkommunikation st¨oßt weiterhin auf viel Interesse, und den Lesern, den Studenten und den Mitarbeitern in Industrie,Amt und Lehre w¨unschen wir Freude an der Lekt¨ure und Erfolg, die fast unbegrenzten M¨oglichkeiten der Satelliten¨ubertragung zu verstehen. Allen, die uns bei diesem Buch geholfen haben, insbesondere auch Herrn Dipl.Ing. Thomas Kuch und seinen Kollegen vom GSOC des DLR in Oberpfaffenhofen, danken wir herzlich.

M¨unchen, im Winter 2006/2007

Hans Dodel und Sabrina Eberle

Inhaltsverzeichnis

1

2

Aktuelle Aspekte der Satellitenkommunikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1 Die Rolle des Satelliten in der Kommunikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.1 Fernsehen und H¨orfunk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.2 Corporate Multicast . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.3 Satellite News Gathering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.4 Katastropheneins¨atze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.5 Flexible Gesch¨aftskommunikation mit VSATs . . . . . . . . . . . . . . 1.1.6 Nationaler, Regionaler und Internationaler Thin Route Traffic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.7 Mobilfunk, PCS, S-UMTS, G4 .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.8 Zeitbegrenzte Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.9 NATO und UNO-Missionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.10 Aufbau unterentwickelter Infrastrukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Attribute der Telekommunikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3 Die OSCAR-Serie von Fernmeldesatelliten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4 Aktuelle Fragen in der Satellitenkommunikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.5 Bordseitige Signalverarbeitung und Vermittlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.6 Satellitennavigation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.7 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1 4 4 5 5 5 5 6 6 7 7 7 8 9 10 11 13 15

Satellitenbahnen und die Satellitenkontrolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1 Die Fluchtgeschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Die allgemeine Kreisbahn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1 Die geostation¨are Kreisbahn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2 Eigeneinschuss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.3 Der Direkteinschuss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.4 Der Super GEO, der Moon Slinger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.5 Sea Launch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ¨ 2.2.6 Das Ekliptik/Aquinoktium-Problem ....................... 2.3 Nicht-geostation¨are Bahnen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.1 Die inklinierte geosynchrone Kreisbahn, der Tanja-Orbit . .

17 19 20 21 25 26 26 28 29 29 29

X

Inhaltsverzeichnis

2.3.2 Niedrig fliegende Satelliten; LEOs – PEOs . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.3 Hochelliptische Bahnen – HEOs, der Tundra-Orbit . . . . . . . . . 2.3.4 Kreisbahnen mittlerer H¨ohe; MEO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.5 Kreisbahnen gr¨osserer H¨ohe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.6 Die ortsfeste Fussspur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.7 Die Walker Konstellationsparameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.8 Sehr tief fliegende Plattformen; HAP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Globale Bedeckung mit der kleinsten Zahl von Satelliten . . . . . . . . . . . 2.4.1 Zwei GEOs f u¨ r die Kontinente ohne Pazifik, ohne die Pole . . 2.4.2 Drei GEOs f u¨ r die gesamte Erde, ohne die Pole . . . . . . . . . . . . . 2.4.3 Vier inklinierte GEOs f u¨ r die gesamte Erde, mit den Polen . 2.4.4 F¨unf inklinierte GEOs f u¨ r die gesamte Erde, mit den Polen . 2.4.5 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Die Satellitenkontrolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.1 Bestimmung der Position in Ost/West-Richtung . . . . . . . . . . . . 2.5.2 Position in Nord/S¨ud-Richtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.3 Ausrichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.4 Funktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.5 Der Betrieb von sicherheitsrelevanten Satelliten . . . . . . . . . . . . 2.5.6 Die Satellitenkontrolle am Beispiel GALILEO . . . . . . . . . . . . . . Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

30 31 34 34 34 35 35 35 35 36 36 36 36 37 39 40 41 41 41 42 44

Frequenzen und ihre Koordinierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1 Orbitzuweisungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.1 Orbitalabst¨ande . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Elektromagnetische Vertr¨aglichkeit; St¨orpegelberechnung . . . . . . . . . 3.2.1 Die C-I > 35 dB Methode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.2 Die žt/t < 6% Methode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.3 Uplink und Downlink . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.4 Die St¨orleistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.5 Die Berechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.6 First Come, First Served . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.7 Sekund¨arzuweisungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.8 Die Leistungsflussdichte auf der Erde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.9 Elektrosmog . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3 Dienstekategorien und Frequenzzuweisungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4 Die Koordinierung von Satelliten und Erdfunkstellen . . . . . . . . . . . . . . 3.4.1 Advance Publication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.2 Request for Coordination; Trigger Angle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.3 Notification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.4 Vorrechte Terrestrische Systeme, GEO und NGSO . . . . . . . . . . ¨ 3.4.5 Anderungen ............................................... 3.4.6 Multi-Lateral Meeting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.7 Pre-Determined Arc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.8 Partagieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

47 50 50 51 52 52 53 53 54 55 55 55 56 57 59 60 60 60 61 61 61 61 62

2.4

2.5

2.6 3

Inhaltsverzeichnis

3.4.9 Partagieren im Raum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.10 Partagieren in der Frequenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.11 Partagieren in der Zeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.12 Partagieren in der Polarisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.13 Partagieren im Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.14 Partagieren nach RR342/Versuchsfunk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.15 Partagieren nach RR 5.150 - ISM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.16 Licence Free Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.17 Verfallsdatum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Die Entsorgung von Satelliten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ionentriebwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Die Lorentz-Kraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Orbitral Recovery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hybridverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Institutionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.10.1 Nationale Institutionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.10.2 Regionale Institutionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.10.3 ETSI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.10.4 WTO/GATS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.10.5 EICTA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wie meldet man einen Satelliten an – Lizenzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.11.1 Systemplanung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.11.2 Funkzulassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.11.3 Bodensegment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.11.4 Betriebslizenzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Die Pf¨andung eines Satelliten im Orbit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.12.1 Der nominelle Satellitenbetrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.12.2 Zusammenfassung Pf¨andung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

62 62 62 62 62 63 63 63 64 64 65 66 66 66 66 66 67 68 68 69 69 69 69 69 70 70 71 72 72

Codierung, Chiffrierung, Interleaving, Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1 Digitalisierung – die Nyquist Rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.0.1 Aliasing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Quellencodierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1 Compandierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1.1 Amplituden-Compandierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1.2 Frequenz-Compandierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1.3 Begrenzer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1.4 Echo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1.5 Der Rauschunterdr¨ucker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.2 Sprachcodierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.3 Videokomprimierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.3.1 Bildpr¨adiktion und Bewegungskompensation . . . . 4.2.3.2 Codierung mit Variabler Bitrate, VBR . . . . . . . . . . . . . 4.2.3.3 Modulation von MPEG-Signalen . . . . . . . . . . . . . . . . . .

75 76 78 78 78 78 79 79 80 80 81 82 83 84 84

3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10

3.11

3.12

3.13 4

XI

XII

Inhaltsverzeichnis

4.3

4.4

4.5 4.6 4.7

4.8 4.9

4.10 5

4.2.3.4 Zusammenfassung MPEG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.4 Audiokomprimierung .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.5 3-D-Fernsehen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verschl¨usselung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.1 Verschl¨usselungsprotokollebene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.2 Cryptoverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.3 Kategorien von Schl¨ussel und Codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.4 Der Data Encryption Standard DES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.5 Das RSA Chiffrierverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.6 Elektronische Unterschrift . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.7 Digitale Unterschrift . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.8 Steganographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.9 Schl¨usselgebrauchsdauer und Schl¨usselaustausch . . . . . . . . . . 4.3.10 Verschl¨usselung im Mobilfunk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ¨ 4.3.11 Gesetzliche Uberwachung .................................. 4.3.12 Zusammenfassung zur Verschl¨usselung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Multiplexing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.1 Das Frequenzb¨undelungsverfahren FDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.2 Das Zeitb¨undelungsverfahren TDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.3 Das Codeb¨undelungsverfahren CDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kanalcodierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Blockverschachtelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Modulationsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.7.1 Phasenmodulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.7.1.1 QPSK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.7.1.2 OQPSK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.7.1.3 MSK, GMSK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.7.1.4 UQPSK, UOQPSK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.7.1.5 BOC, Manchester Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.7.1.6 8PSK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.7.1.7 QAM, QAMSK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.7.2 Puls-Positions-Modulation (PPM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.7.3 Der Harkenempf¨anger – Rake Receiver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.7.4 Spektralabfall der PSK-Modulation – Der Roll-Off Factor . . 4.7.5 Codulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.7.6 Systemtechnischer Vergleich der Modulationsverfahren . . . . 4.7.7 Die ben¨otigte Bandbreite im Satelliten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Frequenzumsetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ¨ Die Ubertragung .................................................. ¨ 4.9.1 Die Ubertragungskapazit¨ at – das Shannon Limit . . . . . . . . . . . 4.9.2 Kanalabh¨angige Bitrate, Codierung und Modulation . . . . . . . Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

84 85 87 87 88 89 90 90 91 92 92 93 93 95 95 96 97 97 99 99 99 105 106 108 108 110 110 112 112 113 114 114 114 116 118 118 120 121 122 122 124 125

Das Relais im Orbit und die Streckenbilanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 5.1 Das Tr¨ager-Rauschleistungsverh¨altnis C-N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

Inhaltsverzeichnis

Die Tr¨agerleistung C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Die Rauschleistung N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Das Tr¨ager/Rauschleistungsdichteverh¨altnis . . . . . . . . . . . . . . . Das Tr¨ager/Rauschleistungsverh¨altnis serieller Strecken . . . 5.1.4.1 Die Rauschzahl NF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.4.2 Die EIRP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.4.3 Die Ausbreitungsverluste PL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verf u¨ gbarkeit der Strecke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.1 Availability und Reliability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.2 Lastanpassung zur Erh¨ohung der Verf u¨ gbarkeit . . . . . . . . . . . . 5.2.3 Der diversit¨are Empfang (Diversity Reception) . . . . . . . . . . . . . 5.2.4 Adaptive Nachregelung der Sendeleistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . Der G¨utefaktor G-T . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.1 Der Empfangsgewinn G . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.2 Die Rauschtemperatur T . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.3 Die Empf¨angerg¨ute G-T von Satelliten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.4 Typische Empf¨anger-G¨uten von Erdfunkstellen und Terminals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.5 Die G¨uteminderung durch Regen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.6 Die G¨uteminderung durch Vegetationsdurchdringung . . . . . 5.3.7 G-T-Degradation durch Fehlweisung der Empfangsantenne 5.3.8 Empfangsdegradation durch Fehlweisung der Satellitenantenne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.9 Empfang zweier Satelliten mit einer schielenden Bodenantenne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Der Arbeitspunkt des Transponders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Intermodulation, Kleintr¨agerunterdr¨uckung, St¨orungen . . . . . . . . . . . 5.5.1 Die aktive Intermodulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.5.2 Noise Power Ratio und C-IM3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.5.3 Third Order Intercept, TOI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.5.4 Frequenzplan zur Vermeidung von Intermodulation . . . . . . . 5.5.5 Linearisierung des Verst¨arkers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.5.6 Die passive Intermodulation, PIMPs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.5.7 Zusammenfassung Intermodulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.5.8 Die Kleintr¨agerunterdr¨uckung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.5.9 Funkst¨orungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Das Soll und Haben der Streckenbilanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.6.1 Das Haben, das Strecken-Tr¨ager/Rauschleistungsverh¨altnis ¨ 5.6.2 Das Soll, das UbertragungsTr¨ager/Rauschleistungsverh¨altnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.6.3 Das Soll gleich Haben der Satelliten¨ubertragung . . . . . . . . . . . Zusammenfassung der Arten von Transpondern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.7.1 Der transparente Transponder fester Bandbreite, singul¨arer Zuweisung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.1 5.1.2 5.1.3 5.1.4

5.2

5.3

5.4 5.5

5.6

5.7

XIII

129 130 132 132 133 134 136 147 147 149 149 150 151 151 151 153 153 156 157 158 160 161 161 162 162 166 168 170 171 171 173 173 174 175 175 176 181 185 185

XIV

Inhaltsverzeichnis

5.7.2

5.8 6

Transparente Transponder fester Bandbreite, dualer Zuweisung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.7.3 Transparente Transponder fester Bandbreite, bedarfsangepasster Frequenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.7.4 Transparente Transponder bedarfsangepasster Bandbreite . 5.7.5 Die bordseitige B¨undelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.7.6 Der bordseitige Vermittler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.7.7 Der regenerative Transponder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.7.8 Zusammenfassung, Transponder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ¨ 5.7.9 Optische Ubertragungsstrecken – Laser-Links . . . . . . . . . . . . . Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Vielfachzugriff, Erstzugriff, Protokolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1 Der Vielfachzugriff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.1 Der Vielfachzugriff im Zeitbereich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.2 Der Vielfachzugriff in der Frequenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.2.1 SCPC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.2.2 SSB/SC/FDM/FM/FDMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.2.3 IMPs & PIMPs – die Intermodulation der Tr¨ager im Transponder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.2.4 MFTDMA, MFCDMA .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.2.5 Zusammenfassung FDMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.3 Der Vielfachzugriff mit Codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.3.1 Die Sequenz-Modulation – PN-CDMA . . . . . . . . . . . . 6.1.3.2 Die Eigenst¨orung in PN-CDMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.3.3 Frequenzsprungverfahren – FH-CDMA . . . . . . . . . . . 6.1.3.4 Das Zeitsprungverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.3.5 W-CDMA, WBCDMA, FD-CDMA, TD-CDMA, TD-SCDMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.3.6 Die Intermodulation bei CDMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.3.7 Graceful Degradation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.3.8 Zusammenfassung CDMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.4 Der Vielfachzugriff im Raum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.5 Der Vielfachzugriff in der Polarisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.6 Das Fallbeispiel SPADE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.7 Beurteilung der Vielfachzugriffsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2 Der Erstzugriff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.1 Die Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.2 Demand Assignment Multiple Access . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.2.1 Carrier Sensed – Anrufe vom Fahrzeug . . . . . . . . . . . 6.2.2.2 Carrier Sensed – Anrufe zum Fahrzeug . . . . . . . . . . . 6.2.2.3 Carrier Sensed – Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . 6.2.2.4 Die Maritime Kurzwelle – Polling . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.2.5 Die Maritime Kurzwelle – Selektivruf . . . . . . . . . . . . . 6.2.3 Das Beispiel INMARSAT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

186 187 187 187 187 189 189 190 196 199 199 200 202 203 204 205 205 205 206 207 207 208 208 209 209 209 210 210 211 212 213 215 216 217 217 217 217 218 218 218

Inhaltsverzeichnis

6.2.4

Zufallszugriff ALOHA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.4.1 Random ALOHA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.4.2 Slotted ALOHA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.5 Paketvermittlung in Satellitennetzen; Protokolle . . . . . . . . . . . 6.2.6 Zusammenfassung der Erstzugriffsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . Multiplexing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3.1 Das Zeitb¨undelungsverfahren TDD, TDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3.2 StatMux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3.3 Das Frequenzb¨undelungsverfahren FDD, FDM . . . . . . . . . . . . . 6.3.3.1 COFDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3.4 Das Codeb¨undelungsverfahren CDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3.5 INBOUND-Verkehr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3.6 OUTBOUND-Verkehr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ¨ Zusammenfassung Zugriffs- und Ubertragungstechniken ......... Die Statistik des Vielfachzugriffs .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.5.1 Die Erlang Betriebsmodi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.5.1.1 Betriebsmodus Erlang A: Lost Calls Held . . . . . . . . . 6.5.1.2 Betriebsmodus Erlang B: Lost Calls Cleared . . . . . . 6.5.1.3 Betriebsmodus Erlang C: Lost Calls Delayed . . . . . . 6.5.1.4 Fallbeispiel zum Grade of Service, Lines und Trunks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.5.1.5 Fallbeispiel zur Peak-to-Average Verkehrsdichte . . Protokolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.6.1 Paketvermittlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.6.2 Internet und andere Netze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.6.3 Die Protokolle TCP und IP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.6.4 Caching, Streaming and Spoofing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.6.5 ITU- und ISO-Standards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.6.6 Packet Satellite Network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.6.7 Das Kanalprotokoll PODA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.6.8 ATM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

220 221 222 223 224 225 225 226 226 226 227 227 228 229 230 231 231 231 231

Die klassische Satellitenkommunikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1 Internationale Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1.1 INTELSAT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1.2 NewSkies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1.3 INTERSPUTNIK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1.4 PANAMSAT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1.5 SKYNET SATELLITE SERVICES/ORION . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1.6 SATCOM/SPACENET/GE AMERICOM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1.7 GALAXY/PANAMSAT/SPACEWAY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1.8 Molnija . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1.9 Weitere internationale Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2 Regionale Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

245 247 247 249 249 251 251 252 252 252 253 254

6.3

6.4 6.5

6.6

6.7 7

XV

231 232 232 234 236 236 237 237 238 239 241 242

XVI

Inhaltsverzeichnis

7.2.1 EUTELSAT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.2 ARABSAT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.3 AGRANI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.4 PALAPA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.5 TURKSAT/EurAsiaSat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.6 NAHUEL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.7 Weitere regionale Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nationale Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3.1 Deutschland . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3.2 Der franz¨osische Fernmeldesatellit TELECOM . . . . . . . . . . . . . 7.3.3 ITALSAT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3.4 HISPASAT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3.5 BRASILSAT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3.6 INDSAT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3.7 ThaiSAT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3.8 MABUHAI/AGILA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3.9 OLYMPUS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3.10 AMOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3.11 CERES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3.12 TELESAT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3.13 TELSTAR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3.14 Fernsehverteildienste in Europa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3.15 Fernsehverteildienste in USA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zusammenfassung und Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

254 254 255 255 255 255 256 256 256 257 258 258 258 259 259 259 259 260 260 260 260 261 261 262

Moderne Satellitenkommunikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.1 Leistungsf¨ahigere und qualitativere Satelliten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.1.1 Leistungsf¨ahigere Satelliten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.1.2 Steigerungen der Satellitenkapazit¨at . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.1.3 Digitalisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.1.4 Broadcast Satellite Services . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.1.5 Mobilfunk – Mobile Satellite Services . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.1.6 Qualitativere Satelliten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2 Intelligentere Satelliten – Signalverarbeitung und Vermittlung an Bord . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2.1 Die Vermittlungsfunktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ¨ 8.2.2 Die Optimierung der Ubertragungskapazit¨ at . . . . . . . . . . . . . . . ¨ 8.2.3 Im Orbit rekonfigurierbare Ubertragungskapazit¨ at . . . . . . . . ¨ 8.2.4 In-Orbit Vernetzte Ubertragungskapazit¨ at – Inter Satellite Links . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2.5 Die regenerative Verarbeitung der Signale . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2.6 Die Umsetzung der Signalb¨undelung im Satelliten . . . . . . . . . 8.3 Kleinere Erdfunkstellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3.1 Die Erdfunkstelle – das Terminal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3.2 Die Kosten der Erdfunkstelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

265 265 265 267 267 267 267 268

7.3

7.4 8

268 269 269 269 269 270 270 271 272 274

Inhaltsverzeichnis

8.4 8.5 8.6 8.7

8.8 8.9 8.10 8.11 8.12

8.13 8.14

8.15

8.16

8.3.3 Der Aufbau der Erdfunkstelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3.4 Parabolantennen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3.5 Phased Array Antenna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3.6 Hochfrequenzsender und -empf¨anger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3.7 Erdfunkstellenstandards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3.8 Erdfunkstellentechnologietrends . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . H¨ohere Frequenzbereiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . H¨oherwertige Modulationstechniken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Intelligentere Codierverfahren und Chiffriermethoden . . . . . . . . . . . . Effektivere Nutzung mit h¨ochster Signalkomprimierung . . . . . . . . . . . 8.7.1 Sprachkompression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.7.2 Videokompression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dynamische Zugriffsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Operationell adaptive Sendeleistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verkehrsangepasste Bandbreite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ¨ Kanalangepasste Ubertragung ..................................... Respondierende Netztopologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.12.1 Netzarchitekturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.12.1.1 Der Stern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.12.1.2 Vermaschte Architekturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.12.1.3 Hybride Architekturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.12.1.4 Vergleich der Architekturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.12.1.5 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zeitgem¨asses Protocol Engineering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stand der Technologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.14.1 DVB-RCS und DOCSIS Protokolle .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.14.2 Der DVB-S2 Standard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.14.3 Kosteneffektive Systeml¨osungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Breitbandsatellitensysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.15.1 Netze mit Kleinsterdfunkstellen bei h¨oheren Frequenzen . . 8.15.2 Das ACTS der NASA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.15.3 Systeme im Ku-, Ka-, Q-, V- und W-Band . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.15.4 Das Ka-Band-System von ASTRA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.15.5 Warum Ka-Band? Wie Ka-Band? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mega LEOs, GEOs, HEOs und HAPs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.16.1 TELEDESIC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.16.2 Celestri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.16.3 SkyBridge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.16.4 EuroSkyWay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.16.5 QUASISTATIONARY/PENTRIAD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.16.6 SpaceWay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ¨ 8.16.7 Netzkontrolle und Uberleitfunktion .. . .. . .. . .. .. . .. . .. . .. . . 8.16.8 Protokolle .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ¨ 8.16.9 Uberleitfunktion/der Gateway . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.16.10 Zusammenfassung Mega Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

XVII

275 276 276 277 277 279 280 281 282 282 282 282 283 284 286 286 286 287 287 292 295 296 298 298 299 299 300 300 300 300 301 302 303 304 304 305 306 306 306 307 307 308 308 308 308

XVIII

Inhaltsverzeichnis

8.17 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309 9

Der klassische Satellitenmobilfunk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.1 Mobilfunk via Satellit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.2 Maritimer Funk via Satellit – die INMARSAT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.2.1 Die Kommunikationsdienste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.2.1.1 Der Standard-A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.2.1.2 Der Standard-B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.2.1.3 Der Standard-C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.2.1.4 Der Mini-C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.2.1.5 Das Aero-H und H+ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.2.1.6 Das Aero-L . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.2.1.7 Das Aero-I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.2.1.8 Das Aero-C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.2.1.9 Das Aero-mini-M . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.2.1.10 Der Standard-D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.2.1.11 Der Standard-D+ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.2.1.12 Der Standard-E . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.2.1.13 Der Standard-E+ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.2.1.14 Der Standard-M . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.2.1.15 Das Mini-M . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.2.1.16 Das Mini-M4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.2.1.17 Der Standard-P . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.2.1.18 Die BGAN-Terminals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.2.2 Global Roaming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.2.3 Handy-zu-Handy-Verbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.2.4 Regional Broadband Global Area Network . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.3 Der INMARSAT-Spinoff ICO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.4 Tarife . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.5 Der Navigationsdienst SBAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.6 Der Seenotfunk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.7 Satellitengest¨uzte Positionsbestimmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.7.1 EUTELTRACS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.7.2 OMNITRACS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.7.3 STARFIX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.7.4 COLOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.7.5 GNSS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.7.6 Galileo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.7.7 GPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.8 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

311 312 313 316 317 317 317 318 318 318 318 318 318 319 319 319 319 319 320 320 320 320 321 321 321 321 322 322 323 326 326 326 326 326 327 327 327 328

10

Personal Communications Services . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.1 Gr¨unde fu¨ r LEOs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.1.1 Signallaufzeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.1.2 Funkfelddispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

331 333 333 333

Inhaltsverzeichnis

10.1.3 10.1.4 10.1.5 10.1.6

10.2

10.3

10.4 10.5

10.6

S¨attigung des geostation¨aren Orbits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . S¨attigung des Frequenzspektrums . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zellendurchmesser auf der Erde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Erhebungswinkel im urbanen Bereich, bei h¨oheren Frequenzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.1.7 Satellitenkosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.1.8 Einschusskosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.1.9 Gefahr der St¨orung und Zerst¨orung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.1.10 Zusammenfassung LEOs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Little LEOs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2.1 ARGOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2.2 STARSYS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2.3 VITA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2.4 GONETS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2.5 LEO One . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2.6 FAISAT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2.7 TEMISAT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2.8 SAFIR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2.9 ORBCOMM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2.10 LEOSAT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2.11 TUBSAT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2.12 BREMSAT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2.13 LunarSAT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2.14 AMSAT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2.15 Zusammenfassung Little LEOs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Big LEOs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.3.1 GONETS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.3.2 IRIDIUM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.3.3 GlobalStar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.3.4 ECCO-Equatorial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.3.5 COURIER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.3.6 ODYSSEY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.3.7 ELEKON/STIR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.3.8 CONSTELLATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.3.9 Archimedes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.3.10 ELLIPSO II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.3.11 Ariadna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.3.12 Zusammenfassung Big LEOs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . UMTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Little GEOs – Data Only aus dem GEO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.5.1 INMARSAT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.5.2 EUTELTRACS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.5.3 MDC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.5.4 EUMETSAT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Big GEOs – Telefonie zum Handy aus dem GEO . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

XIX

335 335 336 336 337 337 338 338 339 340 341 341 342 342 342 342 343 344 345 345 345 346 346 348 348 350 351 355 360 360 361 361 362 362 362 363 363 364 366 366 366 366 366 367

XX

Inhaltsverzeichnis

10.6.1 Einfu¨ hrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.6.2 ACeS/Garuda-1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.6.3 Thuraya . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.6.4 MSV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.7 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

367 367 369 370 371

11

Satellitenkommunikation in der Verteidigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.1 Frequenz- und Orbitalzuweisungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Wirtschaftliche Raumsegmente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ¨ 11.3 Ubertragungsverfahren und Protokolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.4 Betriebssicherheit und Countermeasures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.4.1 Abschuss des Satelliten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.4.2 St¨orung des Satellitenbetriebs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.4.3 St¨orung der Satelliten¨ubertragung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.5 Vernetzung und Interoperabilit¨at . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.6 Die Erdfunkstellen und Bodenterminals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.7 Die NATO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.8 Nationale Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.8.1 Die USA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.8.1.1 DSCS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.8.1.2 United States Navy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.8.1.3 United States Air Force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.8.1.4 Zusammenfassung USA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.8.2 England . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.8.3 Frankreich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.8.4 Italien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.8.5 Spanien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.8.6 XTAR-EUR – XTAR-LANT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.8.7 Deutschland . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.8.8 Brasilien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.8.9 Japan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.8.10 Australien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.8.11 Korea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.8.12 Russland . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.9 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

375 376 377 377 378 378 380 380 383 386 387 388 388 388 392 393 394 394 396 397 397 397 398 398 398 398 399 399 400

12

Wirtschaftlichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.1 Kosten f u¨ r das Raumsegment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.2 Modelle zur Realisierung von nationalen Satellitensystemen . . . . . . 12.3 Wirtschaftlichkeit eines Satellitensystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.3.1 Fernsehausstrahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.3.2 Gesch¨aftskommunikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.3.3 Das Betreibergesch¨aft im Vergleich zum Herstellergesch¨aft 12.3.4 Das Dienstegesch¨aft im Vergleich zum Betreibergesch¨aft . . 12.3.5 Weltweite Open Skies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

401 403 409 410 410 411 412 412 413

Inhaltsverzeichnis

12.3.6 Rentabilit¨at von INTELSAT Kan¨alen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.3.7 Die Wirtschaftlichkeit eines Mega LEO fu¨ r Breitbanddienste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.3.8 Die Wirtschaftlichkeit eines Big LEO f u¨ r Kommunikation . 12.3.9 Die Wirtschaftlichkeit eines Little LEO fu¨ r Position Reporting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.4 Die Wirtschaftlichkeit Kabel versus Satellit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.5 Die Wirtschaftlichkeit eines Navigationssystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.6 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anhang A: Die Rauschzahl eines Verst¨arkers mit Bandpassverhalten . . . . . . . . A.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A.2 Die Rauschzahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A.3 Die Allgemeine Rauschzahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A.4 Die Zus¨atzliche Rauschzahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A.5 Die Rauschzahl paralleler Verst¨arker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A.6 Die Rauschzahl serieller Verst¨arker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A.7 Das Rauschmass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A.8 Die Rauschzahl passiver Komponenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A.9 Die Messung der Rauschzahl im Niederfrequenzbereich . . . . . . . . . . A.10 Die Messung der Rauschzahl im Hochfrequenzbereich . . . . . . . . . . . . A.11 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

XXI

413 413 414 414 415 415 416 417 417 418 419 420 420 421 423 423 426 427 428

Anhang B: Die Gewinnzahl einer Antenne mit Parabolspiegel . . . . . . . . . . . . . . . 429 Liste der verwendeten Abk¨urzungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431 Erl¨auterung der Fachausdr¨ucke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 447 Abk¨urzungen von Organisationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455 Sachverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 459 Die Autoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 465

1 Aktuelle Aspekte der Satellitenkommunikation

„ . . . ich kann mir kein besseres Instrument der Gegenrevolution vorstellen“ – mit diesen Worten lehnte Josef Stalin 1953 einen Plan zur Verbesserung des sowjetischen Telefonsystems ab.Die Zeiten haben sich seit dem ge¨andert und auch die ehedem stalinistisch-kommunistischen L¨ander erkennen heute, dass eine funktionierende Volkswirtschaft effiziente Kommunikation voraussetzt. So hat die Satellitenkommunikation seit Anfang der 90er Jahre grosse Schritte nach vorne machen k¨onnen. Die Notwendigkeit, im Osten rasch leistungsf¨ahige Daten¨ubertragung f u¨ r Industrie und Handel, den Dienstsektor und den Staat einzurichten, f u¨ hrte zum Durchbruch. Das Bild zeigt einen typischen Kommunikationssatelliten mit seinen nach Norden und S¨uden ausgerichteten Solarpaneelen, die, auf dem Satelliten rotierend, st¨andig lotrecht auf die Sonne gerichtet sind, w¨ahrend der Satellit mit den Antennen auf die Erde ausgerichtet ist. Die Satellitenkommunikation hat sich zum wichtigsten Bereich der Raumfahrt entwickelt. Sie stiftet dauerhaft hohen, kommerziellen Nutzen und erm¨oglicht globale Informationsverbreitung; beides sind wesentliche Elemente marktwirtschaftlich orientierter Demokratien. Anwendungen der Satellitenkommunikation finden sich in den internationalen Fernverbindungen, im nationalen Bereich und nicht zuletzt im Mobilfunk – die Direktkommunikation von Mensch zu Mensch.Mit kleinen Satellitenterminals (Very Small Aperture Terminals; VSATs, und Satellite Interactive Teminals, SITs) wurden grosse St¨uckzahlen und damit niedrige Preise erreicht. Lag der Anteil der Satelliten¨ubertragung an der Weltkommunikation ca. 1990 bei 1%, u¨ berschritt er schon im Jahr 2000 die 10% Marke. Ein halbes Jahrhundert nach dem Einschuss der ersten Trabanten in die Umlaufbahn wird der Satellit in der modernen Kommunikationsinfrastruktur zur Selbstverst¨andlichkeit. Der Nutzen der Raumfahrt erstreckt sich u¨ ber die vielen Detailerfindungen z.B. in die Medizintechnik, die Mikroelektronik, die Mechatronik und die Datenkompression von Sprache und Bild etc. Die gr¨osste Leistung der Raumfahrt besteht aber darin, dass sie uns mit den Kommunikationssatelliten Instrumente hohen Alltagsnutzens verf u¨ gbar macht.

2

1 Aktuelle Aspekte der Satellitenkommunikation

Abb. 1.1 Ein Fernmeldesatellit im geostation¨aren Orbit

Sowohl infrastrukturell als auch wirtschaftlich sind sie heute unverzichtbare Elemente des globalen Fernmeldenetzes, der Versorgung mit Fernsehen und multimedialen Breitbanddiensten sowie bei Katastrophen- und UNO-Eins¨atzen. Diese ¨ Entwicklung ist gekennzeichnet durch den Ubergang von – – – – –

Analog- zu Digitaltechnik, ¨ drahtgebundener zu funkgest¨utzter Ubertragung, Schmalband- zu Breitbandnutzungen, terrestrischer zu Satelliten¨ubermittlung und der „dinglichen“ (dem Telefonapparat) zur „pers¨onlichen“ Kommunikation (dem Handy).

Die USA nahmen bei der Entwicklung der Satellitenkommunikation und dem Satellitenmobilfunk (IRIDIUM, GlobalStar, OrbComm) eine Vorreiterstellung ein. Keines dieser tieffliegenden Systeme konnte jedoch betriebswirtschaftlich betrieben werden; alle drei meldeten Bankrott an. An ihre Stelle traten ab dem Jahr 2000 geostation¨are Satelliten (Thuraya, Garuda/ACeS etc.). In der Breitbandkommunikation sind die USA f u¨ hrend, aber ohne hinreichende Standards; die Europ¨aer haben ISDN1 , GSM/UMTS2, DAB3 , COFDM4, DECT5 , 1 2 3 4 5

Integrated Services Digital Networks Global System for MobileCommunications; Universal Mobile Telecommunications Services Digital Audio Broadcast Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing Digital Enhanced Cordless Telephone

1 Aktuelle Aspekte der Satellitenkommunikation

3

TETRA6 , DVD7 und DVB8 entwickelt und standardisiert und sich eine fu¨ hrende Rolle in der digitalen Telekommunikation gesichert; hier sind wir den USA um Jahre voraus. Diese Systeme demonstrieren, dass sich mit der Digitaltechnik die ¨ Ubertragungskapazit¨ at vervielfachen l¨asst. Die schmalbandige Kommunikation der Vergangenheit w¨achst in die Breitband-multimedia-Dienste. Aus dem station¨aren „Ding“ auf dem Schreibtisch wird das pers¨onliche Handy, das allzeit und weltweit funktioniert. Tabelle 1.1 zeigt die Entwicklung der Raumfahrt bis zu den ersten Satelliten. Tabelle 1.1 Die Geschichte der Raumfahrt bis zu den ersten Satelliten 1865 1895 1903 1923 1929 1934 03.10.1942

15.05.1945 24.07.1950 04.10.1957

03.11.1957

31.01.1958 17.03.1958

6 7 8

Jules Verne, Die Reise von der Erde zum Mond; Utopischer Roman, 1872 Konstantin Eduardovich Ziolkowski, Die geostation¨are Umlaufbahn; wissenschaftliche Arbeit; Russland Konstantin Eduardovich Ziolkowski, Die Erforschung des Weltraumes mittels Reaktionsapparaten; Russland Hermann Oberth, Die Rakete zu den Planeten; Klausenburg, Verlag R. Oldenburg, M¨unchen und Berlin Hermann Potocnik (ein Slowene, alias Noordung), Das Problem der Befahrung des Weltraums, Richard C. Schmidt & Co., Berlin Wernher von Braun (1912–1977), Konstruktive, theoretische und experimentelle Beitr¨age zum Problem der Fl¨ussigkeitsrakete, Berlin Erster Start einer Rakete in den Weltraum (Wernher von Braun), von Peenem¨unde, Usedom; Typ A4 (V2), Teststand 4/Aggregat 4; 11,2 t Masse; 1,1 t Nutzlast; 25 t Schub; Geschwindigkeit 1320 m/s, Weite 190 km; H¨ohe 83 km Arthur C. Clarke, The Space Station; Its Radio Applications; Proceedings of the Institute of Electrical Engineers, London Start einer V2 mit WAC-Corporal-Oberstufe von Cape Canaveral auf 400 km H¨ohe; Einstieg der USA in die Raumfahrt (mit dt. Rakete und dt. Personal) Start des ersten SPUTNIK (Gef¨ahrte) durch die Sowjetunion (Korolijow; 1906–1966); 83,6 kg Masse; 52 cm Durchmesser; 250/950 km-Bahn; 96 min Umlauf; Abstrahlung der „Kommunistischen Internationalen“ im Eintonverfahren mit je 1 W bei 20 & 40 MHz, bis die Batterien nach 24 d leer waren Start des zweiten SPUTNIK mit der Polarh¨undin LAIKA (lebte noch 5 Tage); 800 kg; 240/1 670 km Orbit; Batterien f¨ur 6 Tage; Messung von H¨ohen- und Sonnenstrahlung Start des EXPLORER-1 (Wernher von Braun); 368/2 540 km Orbit; 107 min Umlauf; 32◦ inkliniert; entdeckte den inneren Van Allen Strahlungsg¨urtel Start des VANGUARD (Vorhut); 134 min Periode; 652/3 965 km Orbit; 1,6 kg Masse(!); 34◦ inkliniert; erster Satellit mit Solarzellen; entdeckte die „Birnenform“ der Erde

Trans European Trunked RAdio (nicht¨offentlicher terrestrischer Mobilfunk in EU) Digital Versatile Disk Digital Video Broadcast, einschl. DVB-S (via Satellite) und DVD-RCS (satellite Return Channel System)

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1 Aktuelle Aspekte der Satellitenkommunikation Tabelle 1.1 Fortsetzung

15.05.1958 Start des 3. SPUTNIK; 1 327 kg; 1. sowjetischer Satellit mit Solarzellen; 220/1 880 km Orbit; Lebensdauer 380 Tage; Mikrometeoriten-, Strahlungsund Ionenforschung 18.12.1958 Start des SCORE („Spielstand 1:0“), erster Kommunikationssatellit, USA, 68 kg Masse, 101,5 min-Umlauf, 185/1 470 km Bahn, 32,3◦ inkliniert 09.11.1967 100 t Nutzlast in den Erdumlauf bef¨ordert (Saturn-V, USA); die bemannte Mondlandung (Apollo, USA); Grundlage der International Space Station und der bemannten Exploration des Sonnensystems.

1.1 Die Rolle des Satelliten in der Kommunikation Der Satellit ist physikalisch konkurrenzlos im Mobilfunk und betriebswirtschaftlich auch mittelfristig fast konkurrenzlos in kurzfristigen Eins¨atzen, in Anwendungen mit sporadischem Verkehr und im Multicast („Einer an viele“); f u¨ r „Einer an n“ reicht ein Satellitensignal, wohingegen terrestrisch n Kabel gelegt werden m¨ussten; ASTRA bedient heute rund 100 Millionen Haushalte. Damit ergeben sich die Satellitenanwendungen: (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9) (10)

Corporate und Internet broadband interactive multimedia communications Multicast Fernsehen und H¨orfunk Mobilfunk und PCS bis hin zu broadband interactive UMTS Kommunikation bei Katastrophen (Disaster-proof Availability) Satellite News Gathering (der R¨uckkanal zum Studio) Flexible Gesch¨aftskommunikation mit VSATs und SITs Nationaler, Regionaler und Internationaler Thin Route Traffic NATO- und UNO-Missionen in Regionen mangelnder Infrastruktur Zeitbegrenzte Anwendungen Aufbau unterentwickelter Infrastrukturen.

Was verbirgt sich hinter diesen Dienstkategorien, Fachausdr¨ucken und Abk¨urzungen? 1.1.1 Fernsehen und Horfunk  Fernsehen gewinnt weiterhin an Bedeutung. Immer mehr Programme werden angeboten. Sie werden u¨ ber Satellit Direct to Home (DtH), u¨ ber Satellit und Kabelkopfstation oder terrestrisch verteilt. Die terrestrische Verteilung von Fernsehen und H¨orfunk u¨ ber Kabel und Funk ist vergleichsweise kostenintensiv und u¨ ber Funk deutlich abnehmend. Die Fa. SES (Luxemburg) hat das Satellitensystem ASTRA erfolgreich aufgebaut. Auf der Position 19,2◦ O werden ca. 10 Satelliten mit u¨ ber 100 Transpondern koloziert, die – digital betrieben – im Mittel 10 TV-Programme pro Transponder abstrahlen.

1.1 Die Rolle des Satelliten in der Kommunikation

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Von der Position 29,2◦O strahlt ASTRA digitale Programme (viele in Englisch) ab. Konkurrenz bietet die EUTELSAT; ihr HotBird+ auf 13◦ O ist ebenfalls auf mehr als 100 Transponder ausgelegt. WorldSpace (Washington) betreibt globale GEO-Satelliten zur Verteilung von H¨orfunk mit Programmen von BBC, CNN, Deutsche Welle etc. Dies ist wirtschaftlicher als terrestrische Sender in allen f u¨ nf Kontinenten. Die Satelliten haben eine signalverarbeitende Nutzlast: Die geographisch diversifizierten FDMA-Uplinks werden umformatiert und mit TDM/Einzeltr¨agern (mit 300 W Sendeleistung) im L-Band abgestrahlt. In den USA bieten die geostation¨aren XM Satelliten und die umlaufenden HEO-Satelliten (Highly inclined Elliptical Orbits; s. Kap. 3) SIRIUS diese Rundfunkdienste an. 1.1.2 Corporate Multicast F¨ur den Verkehr one-to-many kann der Satellit kosteng¨unstiger als die Glasfaser oder der terrestrische Richtfunk sein.Corporate TV, Intra company software updates und corporate inventary werden heute selbst in Mitteleuropa mit seiner exzellenten Infrastruktur vielfach via Satellit gemacht. 1.1.3 Satellite News Gathering ¨ Satellite News Gathering (SNG) ist das Sammeln (Gathering) und Ubermitteln von News vom Ort des Geschehens, u¨ ber Satellit zu den Fernsehanstalten. Die Berichterstattung kann geplant (Fussballspiele etc.) oder ad hoc sein (Katastrophen,Kriege etc.). In beiden F¨allen bekommt der Fernsehzuschauer das aktuelle Geschehen live zu sehen – wenn die Fernsehanstalt vorsorglich Satellitenkapazit¨at gebucht hat oder Arrangements mit einem Betreiber hat, sie kurzfristig zu bekommen. 1.1.4 Katastropheneinsatze Bei natur- oder menschenverursachten Katastrophen ist Kommunikation bei der Durchf u¨ hrung von Hilfsmassnahmen wichtig. Staaten wie Japan und die Bundesstaaten New Jersey und Kalifornien haben ihre Katastrophenkommunikation per Gesetz auf den Satelliten gelegt. Die Zahl der schadensintensiven Naturkatastro¨ phen (St¨urme, Erdbeben, Uberschwemmungen) eskaliert um einen Faktor 4 alle zehn Jahre. Das Ausmass der Terroranschl¨age w¨achst von Jahrzehnt zu Jahrzehnt (siehe 11.09.01 und der Ausfall des terrestrischen Netzes in New York f u¨ r 24 Std.). Hier kann die N¨utzlichkeit der Satellitenkommunikation nicht hoch genug eingesch¨atzt werden. 1.1.5 Flexible Geschaftskommunikation mit VSATs Die Gesch¨aftskommunikation mit Kleinst-Terminals (VSATs, < 2 m) bieten Datenraten bei 64 kbit/s, allerkleinste Terminals (‹ SATs; < 1 m) bis 1 kbit/s und

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1 Aktuelle Aspekte der Satellitenkommunikation

Terminals mittlerer Gr¨osse (> 2 m) h¨ohere Datenraten einschl. Videokonferenzen f u¨ r Besprechungen, Kongresse und Tagungen. Der 1.7.1989 brachte Deutschland ¨ die Liberalisierung der Telekommunikation: Uber Nacht stieg der Kommunikationsbedarf; es entstanden Dutzende von privatwirtschaftlichen Betreibern von Individual- und Gesch¨aftskommunikation. Man bekommt heute mehrere Mbit/s ins Haus zu dem Preis wie vor 10 Jahren 64 kbit. Die Kosten der Satellitennutzung in Europa sind dabei, sich dem Weltstandard anzupassen. Mit dem weiteren Vordringen privater Betreiber (SES Luxemburg/ GE-Americom, auch in den Kommunikationsbereich, und ORION, INTELSAT/ PANAMSAT) und den Satellitenkapazit¨aten von z.B. INTER-SPUTNIK n¨ahern sich die Transpondergeb¨uhren dem internationalen Niveau an. Satellitenkommunikation ist auch in der Gesch¨aftskommunikation wirtschaftlicher als terrestrische L¨osungen. Der US-Marktf u¨ hrer installierte ab 1990 ca. 1000 VSATs pro Monat. Es waren im Jahr 2000 weltweit ca. 500 000 VSATs in Betrieb: 68% in den USA 2% in Lateinamerika

14% in Europa 5% im Nahen Osten

10% in Asien/Pazifika 1% in Afrika.

Die Satelliten-Gesch¨aftskommunikation (Business-to-Business; „b2b“) tr¨agt wesentlich zu den westlichen Volkswirtschaften bei. 1.1.6 Nationaler, Regionaler und Internationaler Thin Route Trafˇc Internationale ortsfeste Kleinb¨undelverkehrsdienste (Thin Route Traffic), z.B. zwischen Washington und Lagos, werden noch in vielen Jahren u¨ ber Satellit abgewickelt, wo sich eine Kabelverbindung nicht lohnen w¨urde. Glasfaserkabel mit ¨ ¨ h¨ochsten Ubertragungsraten amortisieren sich dort, wo die hohe Ubertragungskapazit¨at auch genutzt wird. Das Fiber Link Around the Globe (FLAG), weltl¨angstes ¨ Unterseekabel (25 000 km) mit 5 Gbit/s Ubertragungsrate hat die Fa. NYNEX 1997 ca.1 Mrd.US$ gekostet und macht sich erst dann bezahlt,wenn die 13 Landepunkte9 es mit ca. 200 Mio US$ Verkehr pro Jahr f u¨ llen. 1.1.7 Mobilfunk, PCS, S-UMTS, G4 Der Mobilfunk ist ein Satellitenstammgesch¨aft. Das an die Person gebundene Handy wurde zunehmend popul¨ar. Die Personal Communication Services (PCS) wachsen auf der ganzen Welt. Das zuk¨unftige Satellite-Universal Mobile Telecommunications (S-UMTS) wird die ortsfeste Telefonie verdr¨angen. UMTS/G410 wird GSM und Satellite PCS (S-PCS) einschliessen. Die Fl¨ache der Bundesrepublik zu 80% mit Zellularfunk auszur¨usten kostete jeden der beiden D-Netz-Betreiber vor 20 Jahren € 2 Mrd. Die restlichen 20% kosteten weitere € 2 Mrd. Die gesamte Bundesrepublik kurzfristiger und 100% fl¨achendeckend satellitengest¨utzt zu bedienen, h¨atte ca. € 500 Mio gekostet. ¨ England, Portugal, Italien, Agypten, Saudi Arabien, Indien, Indonesien, Singapur, Hongkong, Malaysia, Japan, Korea 10 G4 = 4. Generation Mobilfunk 9

1.1 Die Rolle des Satelliten in der Kommunikation

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1.1.8 Zeitbegrenzte Anwendungen F¨ur tempor¨are Anwendungen (Veranstaltungen, Grossbaustellen etc.) ist der Satellit kosteng¨unstiger als der Aufbau terrestrischer Netze, insbesondere auch da, wo die exakte Dimensionierung des zuk¨unftigen Netzes aufgrund mangelhaft bekannten Bedarfs nicht m¨oglich ist. Zum Beispiel setzt die Telecom France zurzeit Satellitenkommunikation ein, um DSL fl¨achendeckend anbieten zu k¨onnen. Die Satellitenl¨osung bietet die gr¨ossere Flexibilit¨at: Zus¨atzliche Kapazit¨at kann einer Verbindung m¨uhelos zugeschaltet werden, aber auch wieder abgebaut werden, w¨ahrend einmal in der Erde eingegrabene Kabelkapazit¨aten weder erweitert noch einfach wieder ausgegraben werden k¨onnen, wenn sich das Fernmeldeverkehrsaufkommen a¨ ndert. 1.1.9 NATO und UNO-Missionen Die NATO und die UNO betreiben st¨andig Dutzende von friedensschaffenden und -erhaltenden Missionen, meist in unterentwickelten Infrastrukturen, f u¨ r die die Fernmeldetechnik zur Koordination der Hilfsmassnahmen und Kommunikation mit den Zentralen der in der Mission beteiligten Truppenteile aufgeschaltet werden muss. Dieser weltweite Einsatz l¨asst sich wirtschaftlich und schnell nur mit Satellitenkommunikation realisieren. Im Golfkrieg 1992 wurde zur Unterst¨utzung der UNO-Mission Satellitenkommunikation in grossem Umfang eingesetzt. Ausser den milit¨arischen Satelliten der USA, NATO und Englands wurden auch die Systeme INTELSAT, INMARSAT, ARABSAT u.a. benutzt. Die Bundeswehr hat in UNOSOM 1993/94 in Somalia INTELSAT (C-Band), INMARSAT (L-Band) und NATO (X-Band) f u¨ r die Verbindung nach Belet Huen verwendet. Bei UNO-Missionen ist der „Soziale Verkehr“ von a¨ hnlicher Bedeutung wie Dienstgespr¨ache. Telefonate der Soldaten mit ihren Familien sind unverzichtbar zur Truppenbetreuung, um die Negativfolgen einer l¨angeren Trennung von der Familie gering zu halten. 1.1.10 Aufbau unterentwickelter Infrastrukturen Der rasche Aufbau leistungsf¨ahiger Telefonnetze in L¨andern mit mangelnder Kommunikationsinfrastruktur (z.B. manche Staaten Ost-Europas, weite Teile S¨udostasiens, Afrikas und S¨udamerikas) ist nur mit Hilfe von Fernmeldesatelliten und Kleinst-Erdfunkstellen (VSATs) wirtschaftlich realisierbar und z¨ugig durchf u¨ hrbar. Nur Satellitenkommunikation kann diesen Regionen zum Anschluss an die „1. Welt“ verhelfen. Aber auch in der „1. Welt“ mangelt es zuweilen beim Einstieg in die Broadband-Interactive-Dienste an 155 Mb/s Links zum privaten Teilnehmer, selbst in Deutschland.

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1 Aktuelle Aspekte der Satellitenkommunikation

1.2 Attribute der Telekommunikation Die wesentlichen Qualit¨atsattribute in der Kommunikation sind – – – – – –

Kundendienst des Diensteanbieters (customer service) Kosten pro Monat (Grundgeb¨uhren plus Gespr¨achseinheiten) Palette der angebotenen Dienste: Sprache – Daten – Breitband Fl¨achendeckung der angebotenen Dienste (carrier reach) Flexibilit¨at des Diensteanbieters, Innovation des Diensteanbieters Qualit¨at der Dienste: Signalqualit¨at,Bitfehlerrate,Unterbrechungsfreiheit,technologische Reife der angebotenen Dienste.

Danach entscheidet sich mittelfristig der Erfolg des Betreibers. Attribute der Satellitenkommunikation Den genannten einzigartigen Einsatzm¨oglichkeiten der satellitengest¨utzten Kommunikation k¨onnen charakteristische Attribute zugeordnet werden: – Flexibilit¨at, mit der unterschiedliche Informationsvolumina geschaltet werden k¨onnen, • wie schnell nach Auftragsvergabe der Dienst aufgenommen wird, • wie einfach und flexibel das Netz neue Verbindungen erm¨oglicht bzw. alte abbaut; ¨ – Zuverl¨assigkeit der Ubertragung und Verfu¨ gbarkeit bei gegebener Qualit¨at, ¨ • Unterdr¨uckung von Ubertragungsfehlern, • durchg¨angige Verf u¨ gbarkeit (keine Ausf¨alle), • Sicherheit gegen Abh¨oren; – Wirtschaftlichkeit • die Beschaffungskosten f u¨ r die notwendigen Ger¨ate, ¨ • die monatlichen Kosten f u¨ r die Ubertragung, • kurzfristige Inbetriebnahme: die Verkabelung eines Gebietes dauert i.Allg. Jahre; ein Satellitenkommunikationsnetz kann in wenigen Monaten betriebsbereit sein – keine Einnahmeverluste als Folge nichtverf u¨ gbarer Kommunikationskapazit¨at; • gerade fu¨ r verkehrsschwache Verbindungen (Thin Route Traffic) ist ein Sa¨ tellitennetz mit seiner flexiblen Ubertragungskapazit¨ at wirtschaftlicher als die Verkabelung; • schliesslich ist der Satellit im Mobilfunk, zu Lande in grossen Staaten (z.B. USA, Kanada, Australien), zur See und in der Luft, konkurrenzlos; – Fl¨achendeckung • ein einziger geostation¨arer Satellit u¨ berdeckt fast 50% der Erdoberfl¨ache und deckt 100% der Nutzer ab; auch der entlegenste Bergbauer mit verschwindendem Verkehrsaufkommen wird gleichermassen bedient; die Verkabelung eines Gebietes dieser Gr¨osse ist betriebswirtschaftlich nicht vergleichbar; der Satellit u¨ berbr¨uckt auch unwegsames Gel¨ande (z.B. in Chile, Russland, Indonesien etc.);

1.3 Die OSCAR-Serie von Fernmeldesatelliten

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• u¨ ber Satellit kann die einseitig gerichtete Ausstrahlung (Broadcast) von Daten, H¨orfunk und Fernsehen kosteng¨unstiger durchgef u¨ hrt werden. – Flexibilit¨at und Zuverl¨assigkeit • ein Satellitensystem kann flexibler betrieben werden als ein eingegrabenes Kabelnetz (bedarfsangepasste Kapazit¨atsverlagerung); • der Satellit hat sich in den 40 Jahren kommerzieller Nutzung als zuverl¨assiger im Vergleich zu Kabel erwiesen (s.Cable Restoration via Satellite, Katastropheneinsatz etc.); • insbesondere kann ein Satellit m¨uheloser abgel¨ost werden, wenn er, von der Technologie u¨ berholt oder vom wachsenden Bedarf u¨ berfordert, erneuert werden muss. Diesen positiven Attributen steht entgegen: Je nach gew¨ahltem Orbit hat der Satellit Signallaufzeiten von 240 ms (geostation¨are Bahn), was fr¨uher, als noch Echo auf den analogen Leitungen war, als l¨astig empfunden wurde, heute aber meist nicht wahrgenommen wird. Wie kann man diese Negativa abwenden? Welche Codier-, Modulations- und Zugriffsverfahren f u¨ r die Satelliten¨ubertragung gibt es – was macht die atmosph¨arische Ausbreitung? Hierzu werden die wesentlichen operationellen Satellitensysteme vorgestellt und die relevanten Systemparameter und Technologien erkl¨art, die dort angewandt werden.

1.3 Die OSCAR-Serie von Fernmeldesatelliten Die Amateurfunker waren nicht nur die ersten Techniker in den Satellitenerdfunk¨ zun¨achst noch keine gelernten oder stellen, als es zu Beginn dieser neuen Ara entsprechend ausgebildeten Satellitenfunker gab, sondern sie bauten auch gleich im Advent der Satellitenkommunikation ihre eigenen Satelliten und betrieben sie mit viel Erfolg, mit erstaunlich m¨assigen Finanzmitteln und mit bewundernswerter Technologie, die der der kommerziellen Betreiber um Jahrzehnte voraus eilte (bordseitige Signalspeicherung, Verarbeitung und Vermittlung statt passiver Spiegel an Bord der INTELSAT Satelliten bis heute). Der erste Amateurfunkersatellit Orbital Satellite Carrying Amateur Radio (OSCAR) wurde von den HAMs in den USA, meist im Raum Washington, am 12.12.1961 gestartet, drei Jahre nach dem Sputnik-Flug und vier Jahre vor dem ersten kommerziellen INTELSAT Satellit „Early Bird“. OSCAR-I, -II und -III funkten – so wie Sputnik – ca. zwanzig Tage lang; OSCARIV schliesslich 85 Tage. Die australischen HAMs starteten OSCAR-V 1970 (85 Tage) und die deutsche AMSAT (www.amsat-dl.org) den OSCAR-VI 1972, der als erster 4,5 Jahre lang arbeitete. Danach folgten vier weitere deutsche AMSAT OSCARs, und insgesamt wurden bis heute 51 OSACARS erfolgreich geflogen. Nach inzwischen drei erfolgreichen Missionen der deutschen AMSAT hat der letzte, im Jahr 2000 gestartete Satellit P3D gezeigt, dass mit der vorhandenen Struktur und Antriebsleistung ein Flug zum Mars m¨oglich ist. Gesagt getan, eine AMSAT

10

1 Aktuelle Aspekte der Satellitenkommunikation

Raumsonde soll (9,5 Monate lang) zum Mars fliegen und sowohl Daten von Experimenten an Bord als auch, in einer Relaisfunktion, Daten von Systemen auf der Marsoberfl¨ache oder in der Atmosph¨are des Planeten u¨ bermitteln. P5A soll auch Platz f u¨ r Nutzlasten bieten, die in Marsn¨ahe auf die Oberfl¨ache abgesetzt werden k¨onnen und Signale (aus 600 Mio km Entfernung) zu Erde senden. Geeignete Startfenster f u¨ r P5A sind die Jahre 2007 und 2009. Der AMSAT wurde auch die Nutzung der DLR 20/30 GHz Antenne u¨ berlassen, die vom GSOC (German Space Operations Center) derzeit nicht ben¨otigt wird. Diese Parabol-Antenne mit 30 m Durchmesser und ausger¨ustet bis 30 GHz wurde von der DFVLR (heute DLR) Anfang der 70er Jahre zwischen Weilheim (Bayern) und Raisting (Bayern) fu¨ r allgemeine Forschungszwecke und insbesondere f u¨ r die Betreuung der HELIOS Satelliten errichtet. Die 360 t Antenne kann auf 0,001◦ genau ausgerichtet um mit bis zu 1,5◦ /sec geschwenkt werden. Die AMSAT nutzt das Spektrum bis 10 GHz, mit ihrem rauscharmen Vorverst¨arker mit 58◦ K. Die Vermessung der AMSAT MARS Sonde erfolgt (¨uber einen koh¨arenten Transponder) auf 10 m genau.

1.4 Aktuelle Fragen in der Satellitenkommunikation Die wesentlichen Themen in der Satellitenkommunikation im Hinblick auf Verf u¨ gbarkeit von Frequenzen und Orbits, auf neue Dienste und Technologien sind: – Frequenzen • die bestm¨ogliche Nutzung des endlichen Spektrums, die World Radiocommunication Conferences (WRC) alle drei Jahre zum Reframing des Spektrums → sind Spektrumsauktionen eine L¨osung? – Dienste • Universal Personal Telecommunications und die Fusion der Dienste – von ortsfestem und Mobilfunk, von Rundfunk und Daten¨ubertragung, • der optimale Verbund mit terrestrischen Netzen; – Technologie • die bordseitige Verarbeitung und Vermittlung erweitert die Kapazit¨at; • Auftank-, Servicing- und Reparaturm¨oglichkeiten f u¨ r Satelliten! – Bahnen • die endliche Anzahl von Orbitalpositionen und deren bestm¨ogliche Nutzung, • die R¨uckbringung (Entsorgung) der Satelliten, nachdem sie ausgedient haben, • der GEO f u¨ r Telefonie bis zum Handy, TV, H¨orfunk, IP und Daten! LEO f u¨ r Telefonie? • ICO (Intermediate Circular Orbit) f u¨ r Ortung und Navigation, • der Nichtstart von Teledesic und der Bankrott von Iridium, Globalstar und ORBCOMM zeitgleich mit dem erfolgreichen Start von ACeS, Thuraya und ¨ MDC zeigen die wirtschaftliche Uberlegenheit des geostation¨aren Satelliten

1.5 Bordseitige Signalverarbeitung und Vermittlung

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gegen¨uber den Tieffliegern. Tabelle 1.2 stellt die verschiedenen Typen von Satelliten gegen¨uber. Tabelle 1.2 Die verschiedenen Typen von Satelliten Dienste

Tiefflieger

Geostation¨are Satelliten

Little Services (data only)

Orbcomm; 48 Satelliten

Inmarsat, 3 Satelliten MDC, 3 Satelliten EutelTracs, 3 Satelliten

Big Services (voice only)

Iridium; 66 Satelliten GlobalStar; 48 Satelliten

ACeS; 3 Satelliten (LMTelecomms) Thuraya; 3 Satelliten (Boeing/Hughes)

Mega Services (Internetting)

Skybridge; 100 Satelliten Teledesic (288)

Astra Return (SES), 3 Sat.; Eutelsat W3B; Starband (Gilat, Echostar, B.Gates); 3 Sat.; Spaceway (Boeing); WildBlue, 3 Satelliten

In jeder Dienstekategorie ist der geostation¨are Satellit mit seinen drei bis max. vier Flugeinheiten f u¨ r die globale Bedeckung den Tieffliegern u¨ berlegen (s. Kap. 10).

1.5 Bordseitige Signalverarbeitung und Vermittlung Die Satellitennutzlast kann aus unterschiedlichen Architekturen aufgebaut werden, um prinzipielle Funktionen zu erf u¨ llen: Tabelle 1.3 Typen und Funktionen von Satellitennutzlasten

1 2 3 4 5 6

Frequenzumsetzung, Signal Verst¨arkung × × × × × ×

De- und Remodulation, Fehlerkorrektur × ×

Festprogrammierte Vermittlung

Lastabh¨angige Lastabh¨angige Vermittlung im Vermittlung vom Boden Satelliten (im Basisband)

× ×

× ×

(1) der transparente Transponder, der die Signale frequenzversetzt und verst¨arkt zur¨uckspielt (der Bent Pipe Transponder), (2) die bordseitige fest-programmierte Vermittlung (das Koppelfeld im All, ohne Tr¨agerdemodulation, ohne Signalverarbeitung, in der Hochfrequenz geschaltet), (3) die bordseitige Signalverarbeitung zur Fehlerkorrektur mit Tr¨agerdemodulation und -remodulation, (4) die bordseitige, dynamisch lastabh¨angige Vermittlung, vom Boden aus gesteuert, ohne Signalverarbeitung, (5) die bordseitige, dynamisch lastabh¨angige Vermittlung, im Satelliten gesteuert, ohne Signalverarbeitung, (6) die bordseitige dynamisch lastabh¨angigeVermittlung einschliesslich Signalverarbeitung (also Tr¨agerde- und -remodulation).

12

1 Aktuelle Aspekte der Satellitenkommunikation

¨ Die Realisierung der Ubertragung mit bordseitig transparenten Transpondern ist kosteneffektiv. Es gibt aber zunehmend Anwendungen, die betriebswirtschaftlich bordseitig verarbeiten oder vermitteln, oder beides. Bei der bordseitigen Signalverarbeitung m¨ussen die Hochfrequenztr¨ager demoduliert und nach der Fehlerkorrektur im Basisband wieder moduliert werden. Wie vorteilhaft ist dabei die Fehlerkorrektur im Satelliten? Wenn die Aufw¨artsstrecke gest¨ort und die Abw¨artsstrecke vergleichsweise gut ist, k¨onnen die Fehler der Aufw¨artsstrecke auch nach Empfang am Boden korrigiert werden. Vom Handy zur Basisstation (in die grosse Erdfunkstellenantenne hoher Qualit¨at) ist die Abw¨artsstrecke fast fehlerfrei. Es ist nicht n¨otig, die Fehler der Aufw¨artsstrecke im Satelliten zu korrigieren. Sie k¨onnen genauso effektiv nach Empfang in der Basisstation korrigiert werden. Wenn die Aufw¨artsstrecke gut und die Abw¨artsstrecke schlecht ist, bedarf es keiner Fehlerkorrektur im Satelliten, die Fehler der Abw¨artsstrecke k¨onnen nach Empfang am Boden korrigiert werden. Wenn die Fehler auf Auf- und Abw¨artsstrecke gleich verteilt sind, k¨onnen maximal 3 dB Verbesserung durch die Korrektur der Aufw¨artsstreckenfehler im Satelliten erreicht werden.  Die Fehlerkorrektur im Satelliten ist von begrenztem Wert. Was bringt die Demodulation? Die Demodulation des Uplinks im Satelliten erlaubt, das Downlink mit einem anderen, hier besser geeigneten Verfahren zu remodulieren. Auch kann das Zugriffsverfahren f u¨ r die Abw¨artsstrecke unabh¨angig von der Aufw¨artsstrecke gew¨ahlt werden. Bei UMTS und auch bei Rundfunk wird typischerweise das TDMA-Uplink in TDM f u¨ r das Downlink umgesetzt (der Skyplexer). Schliesslich erlaubt der On Board Processer (OBP) den Signalpegel der Ausbreitung der Abw¨artsstrecke anzupassen und so die Qualit¨at aufrecht zu erhalten und die Intermodulation im Satelliten zu reduzieren.  Die Modulations- oder Zugriffsumsetzung im Satelliten kann von grossem Wert sein. Eine immer h¨aufiger vorkommendeAnwendung ist dieWandlung der Tr¨agersignale z.B.von vielen Einzeltr¨agern im Uplink auf einen gemeinsamen Summentr¨ager im Downlink, der wiederum Intermodulation im Satelliten vermeidet. Ist die Ausleuchtung des Satelliten in mehrere Zellen strukturiert, die unter sich verbunden sein sollen, ist die bordseitige Vermittlung unumg¨anglich. Um z.B. sechs Zellen am Boden zu verbinden, w¨urden n(n − 1) = 30 Transponder ben¨otigt bzw. n2 Transponder, wenn auch Intrazellverkehr verlangt ist. Die Vermittlung im Satelliten kann eine grosse Zahl von Transpondern ersetzen. Eine Bordvermittlung – im einfachsten Falle vorprogrammiert und in der Hochfrequenz durchgef u¨ hrt – ist hier effektiver. Programmierte Vermittlungen sind seit INTELSAT-VI (ca. 1980) Stand der Technik. Die „K¨onigin“ des OBP ist die in Echtzeit lastabh¨angig arbeitende Vermittlung. Stand der Technik OBPs ben¨otigen heute noch Verarbeitungszeiten von bis

1.6 Satellitennavigation

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zu 100 ms. Tieffliegende Satelliten, die vermitteln und damit werben, dass sie keine Laufzeit h¨atten, haben oft in Wahrheit Verarbeitungszeiten a¨hnlich der Gesamtlaufzeit des GEO. Die Technik wird zuk¨unftig OBP auch im GEO erlauben, ohne die Laufzeit merklich zu vergr¨ossern. Zeitgem¨asse OBPs vermitteln heute 10 Gb/s, morgen 100 Gb/s Satellite Throughput. Es gibt also die folgenden Anwendungen f u¨ r die bordseitige Verarbeitung: – die Signalregenerierung (die Korrektur der Uplink-Fehler), – die Wandlung des Uplink-Modulationsverfahrens in ein anderes, fu¨ r das Downlink geeignetes Verfahren, – die Anpassung des Uplink-Pegels an die aktuellen Downlink-Bedingungen, – die Zusammenfassung mehrerer Uplink-Tr¨ager in einen Summentr¨ager f u¨ r das Downlink, – die Vermittlung mehrerer terrestrischer Zellen an Bord des Satelliten.

1.6 Satellitennavigation Die Ortung des mobilen Telefonierers ist ein wichtiger Aspekt f u¨ r die Netzkontrolle, f u¨ r ortsabh¨angige Dienste (location based services) und auch f u¨ r die Kriminalit¨atsund Terrorbek¨ampfung. Die einfachste und kostenlose Grobortung ist die Bestimmung der terrestrischen Zelle, aus der der Teilnehmer telefoniert. Innerhalb der Zelle kann das Handy mit einer Quasi-Laufzeitmessung geortet werden: wenn drei Stationen das Signal empfangen und die relativen Empfangszeiten festgehalten werden (times of arrival), dann kann mit diesen das Handy geortet („trianguliert“) werden. Fl¨achendeckende weitr¨aumige Ortung ist betriebswirtschaftlich nur mit Hilfe von Satelliten durchf u¨ hrbar. Diese Satellitenortung kann auf Triangulierung mit Einwegentfernungsmessung fussen: Man empf¨angt Signale von drei Satelliten, denen deren Koordinaten und die Uhrzeit zum Zeitpunkt des Absendens aufmoduliert sind. In Kenntnis der Uhrzeit beim Empfang bestimmt man die Laufzeiten der Signale t, multipliziert sie mit der Lichtgeschwindigkeit c = 3 · 108 m/s und erh¨alt so die Entfernungen d zu den Satelliten. Der eigene Standort ist der Schnittpunkt der drei Kugeln, deren Mittelpunkte die Satelliten und deren Radien die Entfernungen d sind. Die Genauigkeit ist umso besser, je orthogonaler die Kugelschnitte sind, und umso schlechter, je schleifender sie sind. Zwei Kugeln in z.B. 20 000 km Flugh¨ohe schneiden sich auf der Erdoberfl¨ache mit 90◦ wenn sie 90 L¨angengrade separiert sind. Die Genauigkeit ist proportional zum Volumen der von den Satelliten aufgespannten (umgekehrten) Pyramide, mit dem Nutzer in der Spitze. Ohne Kenntnis der Uhrzeit arbeitet man mit vier Satelliten.Algebraisch handelt es sich um die L¨osung von vier Gleichungen nach vier Unbekannten.Es sind x, y, z, t die Koordinaten und die Zeit beim Nutzer, xi , yi , zi , ti die Koordinaten und Zeiten der Satelliten i; dann gilt f u¨ r die Entfernungen di zu den vier Satelliten:

14

1 Aktuelle Aspekte der Satellitenkommunikation



 2 (x1 − x)2 + y1 − y + (z1 − z)2   2 d2 = (x2 − x)2 + y2 − y + (z2 − z)2   2 d3 = (x3 − x)2 + y3 − y + (z3 − z)2   2 d4 = (x4 − x)2 + y4 − y + (z4 − z)2 d1 =

= c (t1 − t)

(1.1a)

= c (t2 − t)

(1.1b)

= c (t3 − t)

(1.1c)

= c (t4 − t)

(1.1d)

Das Global Positioning System GPS der US-Streitkr¨afte, das GLONASS der russischen Milit¨ars und das europ¨aische Galileo arbeiten nach diesem Prinzip. Die Nutzung dieser Systeme auch im zivilen Bereich ist technisch m¨oglich, auch wenn die Signale verschl¨usselt werden. Damit sind die Voraussetzungen geschaffen, den ¨ Teilnehmer im Mobilfunk zu orten. Es kann der gesetzlichen Uberwachung gedient werden, die Netzsteuerung kann optimiert werden, also kann somit die Netzkapazit¨at gesteigert werden.Wenn die Netzkontrolle weiss, dass sich ein Teilnehmer aus ¨ der Zelle entfernt, kann sie, im Falle der Uberlastung dieser Zelle diesen Teilnehmer fr¨uhzeitig an die Zelle u¨ bergeben, auf die er sich zu bewegt – das Hand-Over kann netzbelastungsabh¨angig geplant werden. Auch in der Verkehrstelematik wird die Satellitenortung ben¨otigt. Der Grossversuch zur Mauterhebung auf der A555 zwischen Bonn und K¨oln brachte zwei wesentliche Ergebnisse: – die einzige L¨osung, die den Vorstellungen der Verkehrspolitiker entsprach, war die satellitengest¨utzte Mauterhebung, – wenn das Pentagon die zivil nutzbaren GPS Signale k¨unstlich auf 100 m Genauigkeit verschlechtert (Selective Availability), kommen GPS-Empf¨anger als Messwertgeber nicht in Frage. Dieses Problem wird mit GALILEO (ab 2012) u¨ berwunden, und es wird ab 2008 auch das russische Satellitennavigationssystem GONASS verfu¨ gbar sein. Ausbau und Weiterentwicklung der Funknavigationsdienste spielen auch f u¨ r die n¨otige Leistungssteigerung unserer Verkehrssysteme ein wichtige Rolle: Es geh¨ort zu den zentralen Aufgaben, bei der Weiterentwicklung der Komponenten der Verkehrstelematik, die Durchsatzkapazit¨at unserer Schienenwege und Luftstrassen zu erh¨ohen. Dabei gilt es zu beachten, dass die auf Messwerten von Funknavigationsdiensten beruhende Berechnung der Strassenmaut justitiabel (gerichtsfest) sein muss und Mautsysteme betrugsresistent ausgelegt sind. Kommunikation, Ortung und Navigation spielen eine wesentliche Rolle in der Verkehrstelematik

1.7 Zusammenfassung

15

1.7 Zusammenfassung Man kann die Entwicklung der Satellitenkommunikation von Sputnik bis heute in die folgenden Generationen gliedern: Tabelle 1.4 Die wesentlichen Generationen der Entwicklung der Fernmeldesatelliten LEO Anstoss der Satellitentechnik; Proof of Concept

I

1957 Sputnik

II

1965 Early Bird GEO Transatlantik-Telefonie und TV, gr¨osste Erdfunkantennen

III 1985 DOMSATs GEO Kleinsterdfunkstellen; VSATs; TV-Direktempfang IV 2000 Supersats

GEO PCS; multimediale Dienste; Satellitenpositionsbestimmung

V

GEO BroadBand Interactive Business-2-Business Commuications

2005 BBI-Sats

Die Satellitenkommunikation und -navigation hat die Lebensqualit¨at in den entwickelten L¨andern verbessert und ist f u¨ r die sich entwickelnden L¨ander eine wirtschaftliche L¨osung ihrer Kommunikationsinfrastruktur- und Logistikprobleme. Das Wachstum von Satellitentelefonie und Internetting reicht von 2 628 Transpondern 1995 bis 5 500 Transponder im Jahr 2000, mit dem gr¨ossten Wachstumsanteil in Lateinamerika und Russland. Die drei wesentlichen Entwicklungen in der Kommunikation sind: 1. die Mobilit¨at des Nutzers, 2. die Breitband¨ubertragung f u¨ r mulitmediale Dienste, 3. die Verteilung einer sehr grossen Zahl von Fernsehprogrammen. Die Entwicklung der Satellitennavigation durchlief drei wesentliche Generationen und Technologien (s. Tabelle 1.3). In der satellitengest¨utzten Ortung sind heute die Systeme GPS (USA) und GLONASS (Russland) im Betrieb. Ihre Nutzung ist (noch) kostenlos. Tabelle 1.5 Die wesentlichen Generationen der Entwicklung der Ortungssatelliten Ia

1960

Transit

Doppler-Messung im UHF Bereich; Anstoss der Satellitentechnik; Betrieb durch US-Marine

Ib 1962

Tsykada

Kopie von Transit; Betrieb durch Marine der UdSSR

Ic

Cospas/ Sarsat

Verbund amerikanischer und sowjetischer Raumsegmente; Entfernungsmessung mit Doppler-Effekt

IIa 1996

GPS

Weiterentwicklung der Einwegentfernungsmessung auf Laufzeitbasis im L-Band; Betrieb durch US-Luftwaffe

IIb 1996

GLONASS

Einwegentfernungsmessung auf Laufzeitbasis im L-Band; Betrieb durch die russische Luftwaffe

IIc 1997

GNSS

Der Verbund von GPS, GLONASS (sp¨ater auch Galileo) und regionalen Nachbesserungen via INMARSAT, Loran-C und anderen Systemen

IId 2012

Galileo

Das europ¨aische satellitengest¨utzte Ortungssystem im L-Band

1988

16

1 Aktuelle Aspekte der Satellitenkommunikation

Literaturhinweise Dodel, Hans und Eberle, Sabrina, „Satellitenkommunikation“, st¨andiger Lehrgang DK2.08 der Carl Cranz Gesellschaft f¨ur technisch-wissenschaftliche Weiterbildung, Oberpfaffenhofen, Oberbayern Via Satellite, monatlich erscheinendes Fachjournal, Phillips Business Information, Inc., 7811 Montrose Road, Rockville, Maryland, USA; 2002 Lutz, E., Werner, M., Jahn, A., „Satellite Systems for Personal and Broadband Communications“, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2000 Morgan, Walter L., „Communications Satellite Handbook“, Wiley Interscience Publications, New York, 1998 TeleSatellit, zweimonatlich erscheinendes Fachjournal, Prinzregentenstrasse 128, 81677 M¨unchen (aktuelle Zusammenstellung der globalen Satellitensysteme); 2002 William I. Orr,„OSCAR-I, A Summary of the World’s First Radio Amateur Satellites“, W6SAI, QST, Sept. 1962 Furthner, Johann et al „Satellitennavigation – Spezielle Anwendungen“, st¨andiger Lehrgang FA4.02 der Carl Cranz Gesellschaft f¨ur technisch-wissenschaftliche Weiterbildung, Oberpfaffenhofen, Oberbayern Dodel, Hans und H¨aupler, Dieter, „Satellitennavigation – Galileo, GPS, Glonass, Integrierte Navigationssysteme“, H¨uthig Verlag Heidelberg; 2002 Hofmann-Wellenhof, B., Lichtgenegger, H., Collins, J., „Global Positioning System – Theory and Practice“, Springer, 2001

2 Satellitenbahnen und die Satellitenkontrolle

„. . . eppure si muove!“ („. . . und sie bewegt sich doch!“) Abbildung 2.1 zeigt verschiedene Satellitenbahnen, vom geostation¨aren Erd-Orbit GEO, u¨ berwiegend in der Kommunikation, der Fernsehverteilung und der Positionsbestimmung genutzt, bis zum polaren Erd-Orbit PEO der Erderkundung. PEO

HEO

GEO

MEO

IGSO

LEO VanAllen Belt

Abb. 2.1 Satellitenbahnen: Der Geostation¨are Erd-Orbit (GEO), der Low Earth Orbit (LEO), inklinierte Bahnen mittlerer Flugh¨ohe (MEO), der hochinklinierte elliptische Orbit (HEO), der inklinierte geosynchrone Orbit (IGSO) und der polare Erd-Orbit (PEO)

Mit der grundlegenden Himmelsmechanik von Ptolem¨aus (um 150, Alexandria) und Galileo Galilei (1564–1642, Pisa) deutete Johannes Kepler (1571–1630, Graz) die Planetenbahnen um die Sonne und entwickelte die Gesetze, die f u¨ r Flugk¨orper im Raum gelten. Er hatte entdeckt, dass die Umlaufgeschwindigkeit eines Satelliten auf einer elliptischen Bahn zyklischen Schwankungen unterliegt. Seine Gesetze lauten: i

Die Bahnen der Planeten sind Ellipsen, in deren einem Brennpunkt die Sonne ist. ii Der Fahrstrahl zwischen Sonne und Planet u¨ berstreicht in gleichen Zeiten gleiche Fl¨achen. iii Die Quadrate der Perioden sind proportional zu den Kuben der grossen Halbachsen.

18

2 Satellitenbahnen und die Satellitenkontrolle

Die beiden Jahrtausendforscher Galilei und Kepler wurden f u¨ r ihre bahnbrechenden Arbeiten von der katholischen Kirche (im 16. Jh.) exkommuniziert und (schon) 1993 exoneriert. Relevant waren auch die Arbeiten von Newton (England) und bahnbrechend die von Ziolkowski (Russland), der sich 1895 in „Tr¨aume u¨ ber die Erde und den Himmel“ mit k¨unstlichen Erdsatelliten besch¨aftigte und 1903 in „Erforschung des Weltraums mit Reaktionsapparaten“ fast alle grunds¨atzlichen Probleme der heute angewandten Raumfahrt behandelte. Im Jahr 1923 beschrieb der Raketenpionier Hermann Oberth die Ergebnisse seiner Forschung in „Die Rakete zu den Planetenr¨aumen“ – noch heute ein Standardwerk der Raketentechnik, in dem er u.a. die Prinzipien der Fl¨ussigkeitsrakete entwickelte. Der erste Start einer Fl¨ussigkeitsrakete gelang dem Physikprofessor Robert H. Goddard am 16.03.1926 in Auburn MAS, USA. Seine Rakete mit Benzin und fl¨ussigem Sauerstoff legte 56 m zur¨uck. Ein Assistent Hermann Oberths, Wernher von Braun, erreichte am 3.10.1942 in Usedom mit der Aggregat-4-Rakete (11,2 t; 25 t Schub) 1 320 m/s u¨ ber 190 km Entfernung bei einer maximalen Flugh¨ohe von 83 km. Als weiterer Pionier sei Dipl.-Ing. Karl St¨ockel (B¨olkow KG) genannt, der den leistungsstarken,treibstoffgek¨uhlten Raketenantrieb T11 entwickelte.Dieser wurde sp¨ater, in USA unter Lizenz gefertigt, zum Haupttriebwerk (Main Engine) des Space Shuttle.Diese Naturwissenschaftler legten den Grundstein f u¨ r die Erschliessung des Weltraums. Nun verlangen unterschiedliche Missionen unterschiedliche Bahnen. In der Erderkundung fliegt man f u¨ r die Bildaufl¨osung so tief wie m¨oglich (der territoriale Luftraum endet bei 83,82 km). Wenn es reicht, dass der Satellit alle zwei Wochen u¨ ber der gleichen Ort fliegt, ist die Polarbahn (PEO) sinnvoll: Ein Satellit u¨ berfliegt in 14 Tagen die ganze Erdoberfl¨ache (s. Abb. 2.2). F¨ur die Kommunikation fliegt man mit der kleinstm¨oglichen Zahl von Satelliten f u¨ r die gew¨unschte Bedeckung (Coverage), also so hoch wie praktikabel. Beliebt

Abb. 2.2 Die Fussspur eines PEO-Satelliten

2.1 Die Fluchtgeschwindigkeit

19

ist der geostation¨are Erd-Orbit (GEO), der keine Nachf u¨ hrung der Bodenantenne ben¨otigt. Man bringt also Satelliten entsprechend ihrer Mission in geeignete Bahnen, die ¨ sich nach Form (Kreis, Ellipse), H¨ohe und Inklination zum Aquator unterscheiden.

2.1 Die Fluchtgeschwindigkeit Ein Flugk¨orper muss die „erste Fluchtgeschwindigkeit“ aufbringen, um die Erde verlassen zu k¨onnen. In Erdn¨ahe ist fu¨ r die Masse m in der Umlaufbahn die Gewichtskraft gleich der auf den K¨orper wirkenden Zentripetalkraft (R = Radius der Umlaufbahn): m · v2 m·g = . (2.1) R Damit ist v2 = g · R; f u¨ r den Erdradius1 R ≡ R ∼ = 6378 km ergibt sich die o

1

theoretisch niedrigste Umlaufbahn:  m km . v1 = 9,81 2 · 6 378 km = 7,9 s s

(2.2)

Dieser Geschwindigkeit v1 entspr¨ache in der Atmosph¨are „mach 23“; die „erste kosmische (astronautische) Geschwindigkeit“.  Die erste Fluchtgeschwindigkeit ist 7,9 km/s, unabh¨angig von der Masse des Satelliten (bzw. in England 17 777 Meilen/Stunde). Die Umlaufdauer  in dieser „Flugh¨ohe“ w¨urde betragen =

2 ·  · R0 = 84 min v1

(2.3)

Der Nutzwert dieser Ziffer ist begrenzt, da der Flugk¨orper unmittelbar u¨ ber der Erdoberfl¨ache fliegen w¨urde. Um aus diesem Erdumlauf die Erde verlassen zu k¨onnen, muss die kinetische Energie gr¨osser als die Gravitation sein: m · v2 G · m · Me > 2 r

(2.4)

mit der Gravitationskonstanten G = 6,67 · 10−11 m3 /kg s2 , Me = 5,98 · 1024 kg der Masse der Erde und r der Entfernung vom Erdmittelpunkt. Aus Gleichung 2.4 folgt f u¨ r die Geschwindigkeit: 1

Dies wurde 230 v. Chr. von Eratosthenes bestimmt; er beobachtete, dass am 21. Juni die Sonne in Syene (bei Assuan) zu Mittag senkrecht in einen Brunnen einfiel und vermass im 800 km n¨ordlicheren Alexandria den Winkel des Schattens,den ein Pfahl zur Mittagsstunde warf, als 1/50 des Kreises (man wusste an beiden Orten exakt, wann 12 Uhr Mittag ist); damit ergab sich u¨ ber die Wechselwinkel der Kreisumfang als 800 km · 50 = 40 000 km und 40 000 km/(2 ) = Ro = 6 400 km (6 378 km exakt)

20

2 Satellitenbahnen und die Satellitenkontrolle

 v2 >

2 · G · Me r

 bzw. v2 >

2 · 6,67 · 10−11 m3 · 5,97 · 1024

kg kg . r s2

(2.5)

F¨ur

km . (2.6) s  Die zweite kosmische (astronautische) Geschwindigkeit v2 ist 11,2 km/s. r = R0 = 6 378 km

wird

v2 = 11,2

¨ Mit dem Einschuss vom Aquator im Drehsinn der Erde erh¨alt man von ihr die Grundgeschwindigkeit von 0,46 km/s, so dass „nur“ noch 10,74 km/s notwendig sind. F¨ur die Sonne als Zentralk¨orper und die Erde als Ausgangspunkt erh¨alt man die „dritte kosmische Geschwindigkeit“, um das Sonnensystem verlassen zu k¨onnen: v3 = 16

km . s

(2.7)

 Die dritte Fluchtgeschwindigkeit v3 um das Sonnensystem zu verlassen, ist 16 km/s.

2.2 Die allgemeine Kreisbahn Die Gravitationskraft, die Satelliten zur Erde zieht, und die entgegengesetzt gerichtete Zentrifugalkraft halten sich die Waage. Die Gravitation ist nach Newton gegeben: m · Me · G Kgrav = , (2.8) r2 mit m der Masse des Satelliten, Me und G wie oben und r der Entfernung der beiden K¨orper voneinander. Die Zentrifugalkraft ist: Kzent = m · r · ! 2 =

m · v2 r

(2.9)

mit der Winkelgeschwindigkeit ! = 2/ ,  der Umlaufdauer und v der Fluggeschwindigkeit. Gleichsetzung beider Kr¨afte ergibt Kgrav = Kzent. und m · Me · g = m · r · !2 r2

bzw.

Me · g = r · !2. r2

(2.10)

 Die Satellitenmasse m wurde eliminiert: sie hat keinen Einfluss auf den Orbit. Es ist r3 =

Me · G · T 2 (2 · )2

(2.11)

Die Umlaufdauer T der allgemeinen Kreisbahn (r in km,  = 398 601,8 km3 /s2 ) ist   r3 r3 −3 T = 2· = 9,952 · 10 (2.12)  km3

2.2 Die allgemeine Kreisbahn

T ist in Sekunden gegeben2 . Die Sichtdauer ist gegeben durch    R0 T cos−1 (R0 + H) Ts = 

21

(2.13)

Tabelle 2.1 zeigt die Umlaufzeiten als Funktion der Orbith¨ohe. Tabelle 2.1 Die Umlaufzeit T und Sichtdauer Ts als Funktion der Orbith¨ohe H u¨ ber Grund H in km T in min Ts in min

90 86,3 4,6

200 88,5 7,0

400 92,6 10,2

700 98,8 14,1

800 100,9 14,4

1 400 113,8 22,1

10 000 347,7 129,6

20 000 710,6 300,1

36 000 1 436,0 1 436,6

¨ Zur Uberflugzeit: Ein Satellit in der 700 km-Bahn sieht z.B. im urbanen Umfeld (zehngeschossige H¨auser, zweispurige Strassen) ca. 6,3% der Periode (also 6 min) in die Strassenzeile. Mit sechs Satelliten in der Bahnebene dauert es 13,5 min bis der N¨achste u¨ ber die Strassenzeile fliegt. Diese Verf u¨ gbarkeit entspricht 38%. Ein GEO sieht nicht in die Strassenschlucht, ist aber f u¨ r die auf dem Dach montierte Antenne 24 h pro Tag sichtbar. 2.2.1 Die geostationare Kreisbahn Die f u¨ r Kommunikations- und Fernsehsatelliten wichtigste Bahn ist die geosta¨ tion¨are Kreisbahn u¨ ber dem Aquator mit der Umlaufzeit gleich der Dauer einer Erdumdrehung, so dass der Satellit stets u¨ ber der gleichen Stelle der Erde steht. F¨ur die Periode 0 = 23 h 56 min 4 s (der Sternentag) ist der Radius r = 42 165 km oder 6,611 Ro (Ro der Erdradius). Die Flugh¨ohe des Satelliten im GEO ist r − Ro oder 5,611 · R0 = 35 790 km, die Fluggeschwindigkeit 5519 km/h (1500 m/s), die Flugleistung 48 348 729 km pro Jahr (der 1976 gestartete MARISAT hat inzwischen u¨ ber 1 Milliarde km zur¨uckgelegt).

Ro

ζ

ε

d

pRo Abb. 2.3 Der H¨ohenwinkel " und die Entfernung d zum Satelliten

2

siehe auch „vis viva equation“

22

2 Satellitenbahnen und die Satellitenkontrolle

Der H¨ohenwinkel und die Entfernung Die Entfernung d zum Satelliten, den H¨ohenwinkel " (die Elevation, s. Abb. 2.3) und den Kurs ˛ (Azimut) bestimmt man mit den Differenzen von Nutzer- und Satellitenl¨angengrad lon bzw. -breitengrad lat, wobei p = RBahn /RErde (p = 6,611 f u¨ r den GEO) und  cos  = cos(lon) · cos(lat): d = RErde p2 − 2 · p · cos  + 1 (2.14) p · sin  cos " = 2 p − 2 · p · cos  + 1

(2.15)

− sin(lon) . sin 

(2.16)

sin ˛ =

Gerade in unseren Breiten ist es f u¨ r den Betrieb mit geostation¨aren Satelliten wichtig, sicher zu stellen, dass bei gegebenem Azimut die Sicht zum Satelliten (die Elevation) frei ist. Die Sicht der Pole Die Sicht der Erde vom geostation¨aren Orbit ist bei 81,3◦ Breite begrenzt. Der Elevationswinkel vom Satelliten zur Erdtangente ist 8,7◦ , die Entfernung d zu einem ¨ u¨ ber dem Pol fliegenden Ballon ist 6,687 · Ro oder 42 648 km, der Offnungswinkel ◦ zur Erde 17,4 . Ein Repeater am Pol m¨usste h = 74,14 km hoch fliegen, um einen GEO sehen zu k¨onnen; um den Pol sehen zu k¨onnen, muss ein Satellit im IGSO mindestens 8,7◦ Inklination haben. Mit 0,8◦ nat¨urlichem Inklinationaufbau pro Jahr dauert es 11 Jahre, um diese Inklination zu erreichen. Die Elevation u¨ ber Horizont zum geostation¨aren Satelliten Abbildung 2.5 zeigt den Elevationswinkel zum geostation¨aren Satelliten gegen -L¨ange (L¨angengrad des Satelliten minus L¨angengrad des Nutzers), f u¨ r verschiedene n¨ordliche oder s¨udliche Breitengrade des Nutzers. Der h¨ochstm¨ogliche Breitengrad mit Sicht des geostation¨aren Orbits ist 81,3◦ ¨ bei -L¨ange = 0; die h¨ochstm¨ogliche -L¨ange ist 81,3◦ wenn der Nutzer am Aquator ist. h

d

pRO Abb. 2.4 Die Sicht der Pole aus dem geostation¨aren Orbit

2.2 Die allgemeine Kreisbahn

23

Bei Breitengraden wie in Deutschland (> 48◦ ) ist die Elevation zu Satelliten direkt im S¨uden nur noch 36◦ . Zu einem um 45◦ L¨angengrad separierten Satelliten schwindet die Elevation vom gleichen Standort auf 21◦ . 90° 80°

Elevation

70° 60° 0° 20° 30° 40° 50° 60°

50° 40° 30° 20°

nördl. oder südl. Breite

70° 80°

10° 0° 0°

10° 20° 30° 40° 50° 60° 70° 80° 90° Δ -Länge

Abb. 2.5 Der Elevationswinkel zum GEO gegen -L¨ange f¨ur verschiedene Breitengrade

Die Exzentrizit¨at Die „Kreisbahnen“ sind meist nicht exakt kreisf o¨ rmig sondern haben auf Grund der ungleichf o¨ rmigen Massenverteilung der Erde und der Anziehungskr¨afte der Gestirne eine gewisse Exzentrizit¨at E, gegeben durch √ F1 F2 a2 − b2 E= = (2.17) a a mit F1 F2 dem Abstand der beiden Foci der Ellipse, a die grosse Halbachse und b die kleine Halbachse. Je n¨aher die beiden Foci beisammen sind, desto kleiner ist die Exzentrizit¨at, desto mehr n¨ahert sich die Ellipse einem Kreis. Eine typische Exzentrizit¨at im GEO ist im Bereich von 0,5 · 10−3, die zu einer Abweichung des Bahnradius von 42 164 km um 42 km und einer Ost/West-Wanderung des Satelliten von 84 km f u¨ hrt. Die vorgeschriebene Positionstoleranz ist ±0,1 L¨angengrade (+73,6 km) und ±0,5 Breitengrade (+368 km). Eine Exzentrizit¨at von E = 0,5 · 10−3 ist also regulatorisch zul¨assig. Die Auslastung der geostation¨aren Bahn Tabelle 2.2 zeigt die Auslastung der geostation¨aren Bahn in unserer Region, nur mit Fernmeldesatelliten – nur im Ku-Band. Es wird deutlich, wie viele Satelliten dort jetzt schon sind, und wie Positionen bereits mehrfach besetzt sind.Ausgediente Satelliten m¨ussen aus der Bahn entfernt werden, um f u¨ r Nachfolger Platz zu machen. Der Orbitalabstand der Satelliten wird immer enger ger¨uckt, um diese Ressource besser auszun¨utzen: −4,0◦ im 04/06 GHz-Bereich (C-Band) −2,0◦ im 11/14 GHz-Bereich (Ku-Band)

−1,0◦ im 20/30 GHz-Bereich (Ka-Band) −0,5◦ im 40/50 GHz-Bereich (Ke-Band)

24

2 Satellitenbahnen und die Satellitenkontrolle Tabelle 2.2 Geostation¨are Fernmeldesatelliten im KU-Band, u¨ ber EU

44◦ O 42◦ O 40◦ O 38◦ O 36◦ O 34◦ O 32◦ O 30◦ O 28◦ O 26◦ O 24◦ O 22◦ O 20◦ O 18◦ O 16◦ O 14◦ O 12◦ O 10◦ O 08◦ O 06◦ O 04◦ O 02◦ O 00◦ O 02◦W 04◦W 06◦W 08◦W 10◦W 12◦W 14◦W 16◦W 18◦W 20◦W 22◦W 24◦W 26◦W 28◦W 30◦W 32◦W 34◦W 36◦W 38◦W 40◦W 42◦W

MELITASAT-1B, STATIONAR-M, EUROPE*STAR, KYPROS-SAT-D, EMARSAT-1F, EUTELSAT-3 LUX, EUROPE*STAR, TURKSAT-K2, SEYSAT-1A, KAZAKHSAT,RASCOM-KU, TURKSAT-KA LUX, PAKSAT-2, SIRIUS-41, ZOHREH-4, LOUTCH-7, EXPRESS-4 AMOS-1C, HELLAS-SAT, KYPROS-SAT-C, PAKSAT-1, SIRIUS-38 SEYSAT, LUX, GESATCOM, RASCOM, MEASAT, KYPROSAT, EUTELSAT, EUTELSAT-3, LUX STATIONAR-M9, ZOHREH-1, DFS-II INTELSAT-VI, -VII, -VIII, EUTELSAT-2, EUTELSAT-3, VIDEOSAT-4, LUX, TURKSAT-1B TURKSAT-KA, SIRIUS-31, ARABSAT-2A, PAKSAT-C, BABYLONSAT-1, KYPROS-SAT-L2 AGRANI-1A, EMARSAT-1L, KEPLER-1, DFS-II, LUX, RASCOM-KU, KYPROS-SATL1,YAMAL-E2 INTERSPUTNIK-27, LUX, ZOHREH-2, DFS-6, ARABSAT-2B, EUTELSAT-1-8 LUX-24.2, EMARSAT, URKSAT, MOB, DFS-II, STATIONAR ROSCOM-3, SEYSAT-3A, EAST-22, SICRAL-2B, EUTELSAT-1 EUTELSAT-3, ARTEMIS-LM, BABYLONSAT-3 GDL-6, GDL-7 RASCOM-KU, EMARSAT-1J, INTERSPUTNIK-17, SABS-1 ITALSAT-16.4, ARTEMIS-LM, SICRAL-2A, EAST-16, EUTELSAT-3, STATIONAR, RASCOM14.5 ITALSAT-13.2, EAST-13, EUTELSAT-2, STATIONAR-M6 AGRANI-1, ITALSAT-10.2, EAST-10, EUTELSAT-2, -3 MEASAT-SA2, STATIONAR-M5 EUTELSAT-2, EUTELSAT-3, EAST-6, MEASAT-SA1 RASCOM-KU, SIRIUS, EUTELSAT-2, TELE-X, STATIONAR, KYPROSAT, EUTELSAT-3 TELECOM-2C, GESATCOM-E4, AMOS-1A, CERES-2 URKSAT-3, STATIONAR-M3 BIFROST, INTELSAT-VI, -VII, -VIII UKRSAT-2, INTERSPUTNIK-3W, STATIONAR-M2, RASCOM-3.5W, AMOS-1B, CERES-1 TELECOM 2, VIDEOSAT-7, INTERSPUTNIK-6W GESATCOM-E3, VIDEOSAT-5, RADIOSAT-5B, VIDEOSAT-6, TELECOM-2, RADIOSAT-6B PROMETEY-1, KUPON-3, SIRIUS-10W, GESATCOM-E5 LOUTCH-6, EXPRESS-3, F-SAT-2, USASAT-14L EUTELSAT-3, SIRIUS, MELITASAT-1A, INSAT-EK, LOUTCH-1, EXPRESS-2, ROSCOM-1 EUTELSAT-3,GESATCOM-E2,EMARSAT-1E,EMARSAT-1E,ZSSRD-2,WSDRN,INTERSPUTNIK INTELSAT-VI, INTELSAT-VII, INTELSATVIII L-SAT, TDF-1, TDF-2, INTELSAT-VI, INTELSAT-VII, INTELSATVIII INTELSAT-K, INTELSAT-VI, INTELSAT-VII, INTELSAT-VIII INTERSPUTNIK, INTELSAT-VI, INTELSAT-VII, INTELSAT-VIII INTELSAT-VI, INTELSAT-VII, INTELSAT-VIII, INTELSAT-IX INTELSAT-VI, INTELSAT-VII, INTELSAT-VIII INTELSAT-VI, INTELSAT-VII, INTELSAT-VIII, HISPASAT-2A, HISPASAT-2B, HISPASAT-2C HISPASAT, INTELSAT-V, INTELSAT-VII, INTELSAT-VIII, BSB-1, INTERSPUTNIK-32.5 INTELSAT-VI, INTELSAT-VII, INTELSAT-VIII YAMAL-W2 USASAT-26A, EXPRESS-1 INTELSAT-VI, INTELSAT-VII, INTELSAT-VIII USASAT-26, TDRS-E, ATDRS-41

2.2 Die allgemeine Kreisbahn

25

Satelliten, die in verschiedenen Frequenzb¨andern arbeiten, werden schon heute auf der gleichen Position geparkt (sie sind dann immer noch viele km voneinander entfernt). Satelliten, die in verschiedene Regionen der Erde schauen, k¨onnen koloziert werden, wenn die Regionen hinreichend separiert sind. So kann z.B. mit scharf b¨undelnden Antennen der MagyarSat auf 4◦W Ungarn bedienen und der AMOS von der gleichen Orbitposition aus Israel. Um eine Zelle mit Durchmesser Dcell aus der Flugh¨ohe H bei der Frequenz f auszuleuchten,braucht es eine Satellitenantenne mit Durchmesser dant : H dant = (2.18) (3 · f · Dcell ) Tabelle 2.3 zeigt dant (in m) f u¨ r H = 35 790 km (GEO) und verschiedene Frequenzen f . Ein Zellendurchmesser D von 200 km bei 5 GHz oder von 20 km bei 50 GHz k¨onnte mit einer 26 m-Antenne (Stand der Technik) realisiert werden. Tabelle 2.3 Der Durchmesser dant der Satellitenantenne im GEO gegen die Frequenz f und verschiedene Zellendurchmesser D am Boden Zellendurchmesser D [km] Frequenz f [GHz] 0,1 0,2 0,5 1,0 2,0 5,0 10,0 20,0 50,0 100,0

1

264

2

264 132

5

264 106 53

10

264 132 53 26

20

264 132 66 26 13

50

264 106 53 26 11 5

100

264 132 53 26 13 5 3

200

500

1 000

264 132 66 26 13 7 3 1

264 106 53 26 11 5 3 1 1

264 132 53 26 13 5 3 1 1 0

Ein Antennen¨offnungswinkel (Halfpower Beamwidth) von Ÿo = 1◦ projiziert aus dem GEO eine Kreisfl¨ache von 1000 km Durchmesser bei 50◦ n¨ordlicher Breite, unabh¨angig von der Frequenz. Die gleiche Antenne aus einem HEO in 35 790 km H¨ohe projiziert eine Kreisfl¨ache von 620 km Durchmesser bei 50◦ N. F¨ur den Einschuss eines Satelliten in die geostation¨are bzw. geosynchrone Bahn gibt es zwei Verfahren: Den Eigeneinschuss und den Direkteinschuss. 2.2.2 Eigeneinschuss Beim Eigeneinschuss bringt der Tr¨ager den Satellit auf eine stark elliptische Aufstiegsbahn (Transferbahn).Diese ist um die geographische Breite des Abschussortes ¨ zur Aquatorebene inkliniert, beim Start vom Florida (USA) betr¨agt diese Inklination 28,3◦ , von Kourou in Franz¨osich-Guyana 5◦ . F¨ur Einsch¨usse in den GEO wird

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2 Satellitenbahnen und die Satellitenkontrolle

¨ das Apog¨aum der Transferbahn in die Aquatorialebene gelegt, in einer H¨ohe von ca. 35 790 km, der H¨ohe des geplanten Orbits. Im Apog¨aum wird der Apog¨aumsmotor des Satelliten gez¨undet – er „schiesst sich selbst ein“. Dauer, Richtung und St¨arke dieser Antriebsphase sind so berechnet, dass die elliptische Transferbahn zu einer Kreisbahn aufgeweitet und gleichzeitig Restinklination abgebaut wird: Der Satellit befindet sich nun auf einer Kreisbahn in ¨ ¨ der Aquatorebene (Driftorbit).Hier hat der n¨aher am Aquator gelegene Einschuss aus Kourou eine Energieersparnis gegen¨uber dem des Kennedy Space Centers in Florida von 15%. Auf dem Driftorbit „treibt“ der Satellit in seine Position. Die erreichte Kreisbahn wird Geostationary Earth Orbit (GEO) genannt. Der fu¨ r den Eigeneinschuss ben¨otigte, im Satelliten betankte Treibstoff, ist ungef¨ahr so schwer wie der „trockene“ Satellit selbst. 2.2.3 Der Direkteinschuss Tr¨agerraketen wie die US-TITAN und die russische PROTON bef o¨ rdern Satelliten (zuk¨unftig mehr) vom Kennedy Space Center (FLA, USA) und Baikonur (Kasachstan) direkt in die geostation¨are Bahn. Die Oberstufe der Rakete verbleibt dabei im GEO als Schrott und Projektil, und kollidiert zuweilen mit GEO-Satelliten. 2.2.4 Der Super GEO, der Moon Slinger Der Begriff Super-GEO bezeichnet die Bef o¨ rderung eines Satelliten nach dem Start von einer Rampe n¨ordlicher oder s¨udlicher Breite auf eine Bahnh¨ohe u¨ ber der des ¨ geostation¨aren Orbits (Geostationary Earth Orbit; GEO). In seiner Ubergangsbahn (Transfer Orbit) ist dieser Satellit um den Betrag der n¨ordlichen oder s¨udlichen ¨ Breite der Startrampe gegen die Aquatorialebene, die als Zielbahnebene angestrebt wird, inkliniert. Diese Inklination muss also mit entsprechendem Leistungsaufwand (Treibstoffaufwand) abgebaut werden. Nach den Gesetzen der Bahnmechanik ist der Abbau der Inklination eines ¨ Super-GEOs in die Aquatorialebene einschliesslich der Anhebung des Satelliten in den so genannten „Super-GEO“ und danach die Absenkung der Bahnh¨ohe zur¨uck in die H¨ohe des GEO weniger treibstoffaufwendig („billiger“) als die Absenkung der Inklination des Satelliten in die niedrigere, geostation¨are Sollbahnh¨ohe. Man kann sich den Super-GEO-Effekt im mechanischen Vergleichsbeispiel so vorstellen, dass die gleiche Kraft in der h¨oheren Bahn mit dem l¨angeren Hebelarm arbeitet (Hebelarm ist hier gleich Bahnradius), also das gr¨ossere Moment (Moment ist gleich Kraft mal Hebelarm) hat. Das Super-GEO-Man¨over erwirkt eine Einsparung an Treibstoff des Satelliten. Der beim Einschuss eingesparte Treibstoff kann f u¨ r die Lagehaltung des Satelliten im Betrieb eingesetzt werden, verl¨angert also die nutzbare Lebensdauer des Satelliten. Die N¨utzlichkeit dieses Man¨overs wird beeintr¨achtigt durch die Unart vieler Satellitenbetreiber, ihre Satelliten in den „Super-GEO“ zu entsorgen, anstatt sie

2.2 Die allgemeine Kreisbahn

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Abb. 2.6 Der Verlauf des „Moon Slingers“ von seinem hoch inklinierten elliptischen Orbit u¨ ber den Mond, bis hin zu seiner zweckm¨assigen Endposition.

nach Missionsende ordnungsgem¨ass zur¨uckzubringen und in der Erdatmosph¨are vergl¨uhen zu lassen. Es gibt also ein gewisses Risiko, dass der einzuschiessende Neuling mit einer Satellitenleiche im Super-GEO kollidiert. Die Betreiber von GEO-Satelliten bereiten sich durch diese Urart selbst betriebstechnische und insbesondere betriebswirtschaftliche Nachteile beim Einschuss der Folgesatelliten. Des Weiteren kollidieren diese Satellitenleichen im Super-GEO gelegentlich auch untereinander, und Fragmente dieser Kollisionen haben auch schon Satelliten im GEO getroffen und besch¨adigt. Dieses Risiko der Kollision im Super-GEO ist k¨urzlich INMARSAT mit dem Start des ersten INMARSAT-4 eingegangen. Sie startete das 6 t schwere Flugmodell 4F1 am 10.03.05 in den Super-GEO und sparte damit gen¨ugend On-Bord Treibstoff, um den Satelliten mindestens 18 Jahre lang dort in der Position halten zu k¨onnen – Jahre u¨ ber die nominell geplante Missionsdauer hinaus. Eine gigantische Weiterfu¨ hrung des Super-GEO Einschussverfahrens gr¨ossten Ausmasses fand am 25.12.1997 statt. Der Satellit wurde mit einer Proton-K-BlokDM3 vom Baikonur Cosmodrome in Kazakhstan gestartet. Die vierte Stufe der Rakete versagte ihren Dienst und lies den Satelliten in einem elliptischen Orbit hoher (51,5◦ ) Inklination zur¨uck. Die Einschussleistung der Rakete mit maximal 2,40 t wurde durch den AsiaSat-3 mit seinen 2,53 t erkennbar u¨ berschritten – trotzdem beglichen die Versicherer den Schaden. Die Umpositionierung des Satelliten in die Sollbahn mit dem Satellitentreibstoff war eine Alternative, die aber dazu gef u¨ hrt h¨atte, dass im Satellit nach Erreichung ¨ der Aquatorialebene kein Treibstoff mehr f u¨ r die Lagehaltung u¨ brig gewesen w¨are; er w¨are, am Ziel angelangt, gleichzeitig am Ende seiner Mission gewesen. Zwei Ingenieure der Jet Propulsions Laboratories (JPL) haben der Satellitenherstellerfirma Hughes (heute Boeing) vorgeschlagen, den Satelliten mit einem ¨ Super-GEO-Verfahren in die Aquatorialebene zu bringen. Dazu musste der Satellit von seiner Bahnh¨ohe (unterhalb des geostation¨aren Orbits, ca. 40 000 km) in die Umlaufbahn der Mondh¨ohe (ca. 400 000 km, die zehnfache GEO-H¨ohe), angehoben werden, den Mond zweimal umfliegen und konnte so, nach 6,4 Millionen Flugkilometern, durch diesen „Moon Slinger“ die Bahninklination auf 14◦ abbauen.

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2 Satellitenbahnen und die Satellitenkontrolle

Abb. 2.7 Der Asiasat-3, alias HGS-1, alias PAS-22, der nach zwei Moon Slingers zur ersten kommerziellen Mondmission wurde.

Mit dieser Inklination konnte er dann auf eine „vern¨unftige“ Position gebracht werden, ohne dabei unn¨otig viel Treibstoff zu verbrauchen Dies war der erste kommerzielle Flug zum Mond, und danach verblieb dem Satelliten noch Treibstoff fu¨ r mindestens drei Jahre kommerziellen Betriebs auf der Sollbahn. Von dem urspr¨unglichen Besitzer, Asia Satellite Telecommunications Co. Ltd., war der Satellit nach dem Fehlstart an die Versicherer, die die Pr¨amie ausbezahlt hatten, u¨ bergegangen. Die Fa. Hughes hat ihn dann den Versicherern wieder abgekauft, um den Mond geschleudert, und nach gelungenem Man¨over ihn dann an die Fa. PanAmSat verkauft, die ihn auf 60◦W setzte und als PAS-22 jahrelang betrieben hat.

2.2.5 Sea Launch Neben den konventionellen Einsch¨ussen von einer Landbasis wurden schon lange auch Raketen von Flugzeugen (Air Launch), von Eisenbahnz¨ugen (Rail Launch) und von Schiffen (Sea Launch) gestartet. Etwa 50% des Treibstoffes einer konventionellen Tr¨agerrakete werden auf den ersten 10 km des Starts verbraucht. Deshalb macht der Air Launch Sinn, bei dem die Rakete auf 10 km Flugh¨ohe gebracht und von dort gestartet wird. Eine Rakete auf einem Eisenbahnzug verdeckt zu f u¨ hren macht milit¨arisch Sinn, da der Gegner, in Unkenntnis auf welchem Zug sie sich befindet, sie nicht angreifen kann. ¨ Der Einschuss in den GEO ist vom Aquator aus am g¨unstigsten. Bereits Cape ◦ Kennedy (28 N) ist ca.15% aufwendiger als der europ¨aisch genutzte Startplatz Kourou auf 5◦ S. Hier macht der Sea Launch Sinn, bei dem der Einschuss von einer gros¨ sen Schwimmplattform erfolgt, die zum Aquator gezogen wird. Die Firma Boeing

2.3 Nicht-geostation¨are Bahnen

29

betreibt einen solchen Sea Launch3 in Kalifornien, wo sie auch Satelliten fertigt. F¨ur den in o¨ stlicher Richtung erfolgenden Start muss die Plattform aber bis kurz vor Hawaii geschleppt werden, damit im Falle eines Fehlstarts die m¨oglicherweise herabfallenden Teile nicht auf Kalifornien treffen.  2.2.6 Das Ekliptik/Aquinoktium-Problem Das Problem der Ekliptik zur Sonnenwende (21.03. und 21.09.; Tag/Nacht-Gleiche) ist, dass der Satellit auf der anderen Seite der Erde im Sonnenschatten steht, also mit Akkumulatoren (anstatt Solargeneratoren) betrieben werden muss. Dies wird heute technologisch beherrscht. ¨ Das zweite Problem ist, wenn die Erdantenne in die Sonne schaut. Die Ubertragung ist hier auf Grund der Sonnenrauschtemperatur unterbrochen. Man kann die Unterbrechung hinnehmen, den Gesamtverkehr terrestrisch via-routen, oder den Verkehr so weit wie m¨oglich abbauen und den Restverkehr terrestrisch viarouten. Das dritte Problem ergibt sich, wenn die Sonne aus der Ekliptik herauskommt und an der Erde vorbei auf den Satelliten mit 6000 K einstrahlt. Dagegen kann sich der Satellit nur „wehren“, indem er sich mit seinen Empfangsantennen auf das Zielgebiet so konzentriert, dass er in Richtung Sonne um 20 dB unterdr¨uckt; damit wird das Sonnenrauschen (um Mitternacht) 60 K, gegen¨uber den rund 1000 K Empfangsrauschen von der Erde, also ein „ t/t“ von 6%.

2.3 Nicht-geostationare Bahnen 2.3.1 Die inklinierte geosynchrone Kreisbahn, der Tanja-Orbit Die inklinierte geosynchrone Kreisbahn (Inclined Geo-Synchronous Orbit; IGSO) ¨ ist quasi ein GEO, der gegen die Aquatorialebene inkliniert ist (z.B. 63,4◦ ). Der Satellit verbleibt immer auf demselben L¨angengrad, durchwandert aber w¨ahrend einer Erddrehung zweimal den Hub der Inklination (z.B. von 63,4◦N nach 63,4◦S und zur¨uck). ¨ Die Fussspur des IGSO ist eine gerade Linie senkrecht zum Aquator, solange die Bahn exakt kreisf o¨ rmig ist. Zeigt die Bahn eine Exzentrizit¨at auf (sie wird zur Ellipse), dann liegt – fu¨ r eine 24 h Bahn – das Perig¨aum innerhalb, das Apog¨aum ausserhalb der a¨quatorialen Kreisbahn.W¨ahrend des Aufstiegs („S1“ in Abb.2.8) eilt der Satellit mit einem kleinen „Bahnradius“ der Erddrehung voraus, verlangsamt dann im Abstieg („S3“ im Bild) mit dem gr¨osseren „Bahnradius“, so dass er im ¨ Durchgang der Aquatorialebene wieder erdsynchron (geosynchreounous) ist. Fliegen vier oder mehr Satelliten gleichverteilt im IGSO (im Tanja-Orbit) und verwendet man sie nur in den beiden Kulminationen (z.B. Breitengrade u¨ ber 30◦ ), kann die Orbitkapazit¨at (das Frequenzspektrum) verdreifacht werden. 3

Boeing Co.,Seattle (Hersteller von Satelliten); KvaernerA/S,Oslo (Hersteller der Plattform); NPO Yuzhnoye, Ukraine; und Energia, Korolev, Russland (Hersteller von Raketen)

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2 Satellitenbahnen und die Satellitenkontrolle

Abb. 2.8 Die ortsfeste IGSO Fuss-Spur

Ein virtueller Satellit arbeitet (z.B.bei 140◦ O) im Bereich von 30◦ N und 63,4◦ N (¨uber Japan),einer im Bereich von 30◦ S und 63,4◦ S (¨uber Australien) und ein dritter in der ¨ Aquatorialebene (in diesem Fall schr¨ag u¨ ber Indien; s. Abb. 2.8). Hinzu kommt als wesentlicher Vorteil, dass f u¨ r die Satelliten in der Kulmination die Nutzerelevation auch in Nord-Japan und S¨ud-Australien nahezu vertikal ist. 2.3.2 Niedrig iegende Satelliten; LEOs { PEOs Satelliten in Low Earth Orbits (LEO) werden in der Erdbeobachtung genutzt,wo ihre Kameras die bessere Aufl¨osung von milit¨arischen Zielen auf der Erde bieten. Sie werden nicht erfolgreich f u¨ r die Kommunikation eingesetzt. Dazu sind eine Serie von Satelliten notwendig (s.Abb.2.9),die eine st¨andigeVerf u¨ gbarkeit gew¨ahrleisten. Die Vorteile der LEO-Satelliten sollen folgende sein: die Erweiterung der Orbit¨ kapazit¨at, kleinere Signallaufzeiten, steilere Elevationswinkel, bessere Ubertragung als bei GEO-Satelliten auch in n¨ordlichen Breiten (in denen GEO schlecht oder nicht mehr sichtbar ist) und billigerer Einschuss pro Satellit durch die niedrigere Bahnh¨ohe (s. dazu Kap. 10.1). Wenn m¨oglich, vermeidet man den Van-Allen-Strahlungsg¨urtel (von 800 bis ¨ 8000 km u¨ ber der Erde auf Aquatorebene), da durch die dort vorherrschende Strahlung die Solargeneratoren des Satelliten Schaden nehmen und strahlungsempfindliche Bauteile von Plattform und Nutzlast zerst¨ort werden k¨onnen. Wenn es die Mission erfordert, ist es jedoch m¨oglich, den Satelliten entsprechend zu h¨arten, so dass er diese Belastung aush¨alt.

2.3 Nicht-geostation¨are Bahnen

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Mit 98◦ Inklination u¨ berfliegt der Satellit die Pole (Polar Earth Orbit; PEO) so, ¨ dass er u¨ ber den ganzen Jahreszyklus hinweg beim Uberflug die gleiche Stelle der Erde unter dem gleichen Sonnenstand sieht, ein bedeutendes Attribut bei Erkundungsaufgaben. Die die Pole u¨ berfliegenden Systeme zeigen die h¨ochste Dichte u¨ ber den un¨ bewohnten Gebieten und die geringste in der Aquatorialregion. Konstellationen k¨onnen so inkliniert werden, dass sie u¨ ber dem dichtesten Bev¨olkerungsg¨urtel die h¨ochste Satellitendichte haben.Verschiedene Satellitensysteme und Bahnen sind im Kapitel u¨ ber PCN beschrieben. Die fu¨ r eine globale Bedeckung notwendige Anzahl der Satelliten ist in Abb. 2.9 gegen Flugh¨ohe und Elevationswinkel von 10◦ , 20◦ , 30◦ und 40◦ dargestellt.

Abb. 2.9 Die Anzahl der f¨ur die globale Abdeckung notwendigen Satelliten als Funktion der Flugh¨ohe

Beispiel: F¨ur eine Konstellation in 14 000 km Flugh¨ohe (oberste Abszisse) und einem Elevationswinkel von 20◦ werden 10 Satelliten ben¨otigt (ICO). 2.3.3 Hochelliptische Bahnen { HEOs, der Tundra-Orbit Hochelliptische Bahnen (Highly inclined Elliptical Orbits; HEO) werden f u¨ r spezielle Anforderungen eingesetzt. Die Apog¨aen dieser HEOs liegen in der Flugh¨ohe geostation¨arer Satelliten. Ein Beispiel sind die Molnija-Bahnen in Nord-Sibirien. Durch das sehr hohe Apog¨aum sind sie lange Zeit sichtbar, so dass man mit wenigen Satelliten eine durchg¨angige Bedeckung hat.

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2 Satellitenbahnen und die Satellitenkontrolle

Abb. 2.10 Der Elevationswinkel zum GEO und zum HEO

Insbesondere erlauben diese HEOs steile Elevationswinkel zum Satelliten auch in n¨ordlichen Breiten, so dass auch in der Strassenzeile und im Tal Empfang herrscht (s. Abb. 2.11 und 2.12).

Abb. 2.11 Die Molnija-Elevation auch bei h¨oheren Breitengraden (fast ganz Europa hat > 60◦ Elevation; Zentraleuropa sogar > 70◦ )

Die 24 h-Molnija-Bahn Die klassische Molnija-Bahn hat 24 h Umlaufzeit und ist 63,4◦ inkliniert. F¨ur einen Beobachter auf der Erde beschreiben die Satelliten eine Schleife – z.B. u¨ ber Europa. Das System vermeidet eine zweite Schleife auf der „R¨uckseite“ der Erde und bietet so die h¨ochste Satellitendichte u¨ ber der Zielregion (s. Abb. 2.13): Die Sicht des Satelliten in der Hemisph¨are des Ap¨og¨aums betr¨agt bis zu 23 Stunden, so dass nur zwei Satelliten fu¨ r allzeitige Verf u¨ gbarkeit ben¨otigt werden. Dieses Zwei-SatellitenSystem ist bei SIRIUS in den USA mit Erfolg realisiert.

2.3 Nicht-geostation¨are Bahnen

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80°N 60°N 40°N 20°N 0 20°S 40°S 60°S 80°S 150°O

100°O

50°O

0°O

50°W 100°W 150°W

Abb. 2.12 Bodenspur der 24 h-Bahn

Abb. 2.13 Bodenspur der 12 h-Bahn

Die 12 h-Molnija-Bahn Drei um 120◦ versetzte Satelliten durchlaufen elliptische (um 63,4◦ inklinierte) Bahnen. Ihr Apog¨aum liegt ca. 40 000 km u¨ ber der Erde, ihr Perig¨aum z.B. bei 1200 km. Der Satellit ist jeweils 8 Std. in einer Schleife (und arbeitet hier) und vier Stunden ausserhalb. Auf der R¨uckseite der Erde (180 L¨angengrade versetzt) gibt es eine zweite Schleife. Mit nur einer Erdfunkstelle pro Schleife kann der Satellit kontinuierlich betrieben werden. Die 8 h-Molnija-Bahn Statt zwei Schleifen k¨onnen mit nur sechs Satelliten drei Schleifen gebildet werden. Die Bahnen haben ihr Perig¨aum bei 1200 km und ihr Apog¨aum bei 42 800 km u¨ ber der Erde. Die Umlaufzeit betr¨agt 8 Stunden. Das geringf u¨ gig h¨ohere Apog¨aum (der um 63,4◦ inklinierten Bahnen) erh¨oht die Signallaufzeit um 12 ms gegen¨uber der ZweiSchleifen-Bahn. Die Schleifen k¨onnen aber so gelegt werden, dass sie – mit 10◦ O, 130◦O und 110◦W – Europa, Japan und Nordamerika sehen. Die Keplerparameter sind:

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2 Satellitenbahnen und die Satellitenkontrolle

1. Apog¨aumsh¨ohe Ha 3. Grosse Halbachse a 5. Bahnexzentrizit¨at e 7. Perig¨aumsargument !

26 800 km 20 278 km 0,636 270◦

2. Perig¨aumsh¨ohe Hp 4. Bahnperiode U 6. Inklination i der Bahnebene 8. Rechtsaufsteigender Knoten §

1000 km 8h 63,4◦ 50◦

Die 14.4 h-Molnija-Bahn Mit zw¨olf Satelliten k¨onnen f u¨ nf Schleifen etabliert werden (mit 63,4◦ Inklination). Ihr Apog¨aum liegt bei 39 836 km u¨ ber der Erde, das Perig¨aum bei 529 km und die Periode betr¨agt 14,4 Std. 2.3.4 Kreisbahnen mittlerer Hohe; MEO Im Kontrast zu den elliptischen Umlaufbahnen liegen die kreisf o¨ rmigen Bahnen meist bei Flugh¨ohen zwischen 10 000 km und 20 000 km. Diese Orbits mittlerer Flugh¨ohe (Medium altitude circular Earth Orbits; MEO) sind inkliniert. Eine Konstellation von neun Satelliten fliegt in drei Bahnebenen, die andere mit zehn Satelliten in zwei Bahnebenen, 45◦ inkliniert. Diese Konstellationen mit 9 oder 10 MEOs sind ein optimaler Kompromiss zwischen 3 GEOs und 66 LEOs (wenngleich nicht im Sinne der Satellitenhersteller) wenn eine globale Bedeckung der Erde einschliesslich der Pole gefordert ist (von der Luftfahrt und allenfalls von Eisbrechern). 2.3.5 Kreisbahnen grosserer Hohe  F¨ur den internationalen, transozeanischen Fernmeldeverkehr und Datenaustausch w¨are ein Satellit in einer Kreisbahn gr¨osserer H¨ohe – in einer 12-Stundenbahn – ¨ in der Aquatorialebene sinnvoll (eine heliosynchrone Kreisbahn). Er geht mit der Sonne auf und unter. So k¨onnte er w¨ahrend der europ¨aischen Tageszeit den Verkehr hier bedienen, gegen Abend den Europa/Amerika-Verkehr u¨ bertragen, dann dem amerikanischen Kontinent dienen, danach den Amerika/Japan/Australien-Verkehr vermitteln und danach den Japan/Australien/Europa-Verkehr etc. Damit w¨are dieser Satellit 24 Stunden am Tag ausgelastet, w¨ahrend einzelne geostation¨are Satelliten u¨ ber dem Atlantik, dem Pazifik und dem Indischen Ozean f u¨ r die gleiche Aufgabe nur sehr partiell ausgelastet sind. Die gr¨ossere Signallatenz eines solchen heliosynchronen Satelliten w¨are fu¨ r viele Arten des Datenaustausches nicht von Nachteil. 2.3.6 Die ortsfeste Fussspur Umlaufende Satelliten haben eine ortsfeste Fussspur (fixed ground track) wenn MT = N24 h mit M und N ganzzahlig ist. Zum Beispiel M = N = 1, die 24 h Bahn; M = 2, N = 1, die 12 h Bahn; M = 5, N = 3 m die 14,4 h Bahn, etc.

2.4 Globale Bedeckung mit der kleinsten Zahl von Satelliten

35

2.3.7 Die Walker Konstellationsparameter Walker T/P/F beschreibt (unzureichend) eine Konstellation von Kreisbahnen auf denen T Satelliten gleichm¨assig auf P Bahnebenen verteilt fliegen, die die gleichen Abst¨ande haben. F zeigt die Synchronisierung der Bahnebenen an; fu¨ r F = 1 gehen ¨ die Satelliten aller Bahnebenen gleichzeitig durch die Aquatorialebene. Zum Beispiel hat die Galileo-Konstellation die Walker Parameter: 27/3/1 (27 Satelliten auf drei Bahnen mit den gleichen Abst¨anden).Walker sagt nichts u¨ ber die wesentlichen Parameter Bahnh¨ohe und -inklination aus. 2.3.8 Sehr tief iegende Plattformen; HAP Neben der Renaissance des Zeppelins f u¨ r Lasttransport und Tourismus spielt er auch eine Rolle in der lokalen Kommunikation. In 30 km H¨ohe (¨uber dem Luftverkehr) k¨onnen High Altitude Platforms (HAP) mit scharf b¨undelnden Antennen intraurbane und Intranet-Verkehre, evtl. auch Mobilfunk bedienen. Die niedrige Flugh¨ohe erlaubt eine hohe Frequenzwiederverwendung. Eine (heute machbare) 34 m-Antenne am Zeppelin generiert eine Zelle am Boden von 100 m Durchmesser. Obwohl die Signaldispersion sehr viel kleiner ist als bei Satelliten, ist die Regend¨ampfung jedoch die Gleiche. Die HAP kann Nutzlasten bis zu 1 t tragen und bis zu f u¨ nf Jahre fliegen (Leistungsversorgung mit Solargeneratoren), bevor sie zur Wartung heruntergebracht wird. Die USA arbeiten auch mit Flugzeugen (U2, SR71, HALO = High Altitude Long Operation, im zivilen Sektor; HALE = High Altitude Long Endurance, im milit¨aischen), die in 20 km H¨ohe jeweils acht Stunden u¨ ber dem Versorgungsgebiet kreisen. Schon 1970 strahlten HAPs in Vietnam US-Fernsehen ab. Heute entwickelt das DLR gemeinsam mit der Max-Planck-Gesellschaft (MPG) und anderen Mitgliedern der Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren (HGF) sowie weiterer wissenschaftlicher Institute aus dem Bereich der Atmosph¨arenforschung in Deutschland ein Forschungsflugzeug mit der Bezeichnung HALO (hier: High Altitude and Long Range Research Aircraft).

2.4 Globale Bedeckung mit der kleinsten Zahl von Satelliten 2.4.1 Zwei GEOs fur die Kontinente ohne Paziˇk, ohne die Pole Die Abdeckung der bewohnten Erde, ausschliesslich Alaskas und Polynesiens, ist mit nur zwei geostation¨aren Satelliten (GEOs) m¨oglich. Das Einzigartige dieser Konstellation von zwei Satelliten ist, dass sie von Deutschland aus einspeisbar sind, eine geografische Eigenheit, die sich auf keinem der anderen Kontinente bietet.

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2 Satellitenbahnen und die Satellitenkontrolle

Abb. 2.14 Die Bedeckung der bewohnten Erde mit zwei Satelliten auf 50◦W und 75◦ O

2.4.2 Drei GEOs fur  die gesamte Erde, ohne die Pole Die historische Bedeckung der Erde sowohl durch INTELSAT als auch durch INMARSAT erfolgte durch drei um 120 L¨angengrade versetzte geostation¨are Satelliten (GEOs).Die Pole werden nicht bedient – dasVerkehrsaufkommen f u¨ r INTELSAT und INMARSAT an den Polen ist vergleichsweise m¨assig. 2.4.3 Vier inklinierte GEOs fu r die gesamte Erde, mit den Polen Das von INTELSAT vorgeschlagene Modell f u¨ r die Bedeckung der gesamten Erde einschliesslich der Pole nutzt vier um 90 L¨angengrade versetzte, um circa 10◦ gegen ¨ die Aquatorialebene inklinierte Satelliten. Jeder der Satelliten sieht sechs Stunden pro Tag einen der Pole. 2.4.4 Funf inklinierte GEOs fur  die gesamte Erde, mit den Polen John Walker hat schon vor 50 Jahren eine Konstellation von nur f u¨ nf Satelliten in IGSO Bahnen vorgeschlagen, in gleichen Abst¨anden von 72 L¨angengraden angeordnet und um 43,7◦ inkliniert. Die Satelliten in benachbarten Bahnebenen sind um 216◦ gegeneinander versetzt.Diese Konstellation sorgt fu¨ r eine garantierte Elevation von 12,3◦ beim Nutzer. 2.4.5 Zusammenfassung Bei den Satellitenbahnen fu¨ r allgemeine Kommunikationssatelliten steht die station¨are (Geostation¨arer Erde-Orbit; GEO) im Vordergrund: Die Bodenstationen ben¨otigen nur eine Antenne, und diese muss nicht nachgefu¨ hrt werden. Bei allen anderen Bahnen mit umlaufenden Satelliten m¨ussen die Bodenstationen zwei Antennen nachf u¨ hren, so dass, w¨ahrend die eine den untergehenden

2.5 Die Satellitenkontrolle

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Abb. 2.15 Die Bedeckung der Erde mit f¨unf Satelliten

Satelliten empf¨angt, die zweite auf den aufgehenden Satelliten gerichtet werden ¨ kann, um unterbrechungsfreie Ubertragung zu gew¨ahrleisten. Tief fliegende Satelliten (in Low Earth Orbits; LEO) werden mit der geringen Latenz der Signale begr¨undet. Subjektive Tests haben aber gezeigt, dass Latenzen unter 100 ms akzeptiert oder gar nicht wahrgenommen werden.Damit bleibt die fu¨ r allzeitige Verf u¨ gbarkeit sehr grosse Zahl von Satelliten in diesen erdnahen Bahnen als Systemnachteil. Satelliten in Medium altitude Earth Orbits (MEO) k¨onnen auch die ganze Erde einschliesslich der Pole u¨ berdecken, dies aber mit zum Beispiel neun Satelliten in drei Bahnebenen oder zehn Satelliten in zwei Bahnebenen etc. MEOs fliegen typischerweise in 10 000 km H¨ohe, die Signale haben also unter 100 ms Latenz. Elliptische Bahnen hoher Inklination (Highly inclined Elliptical Orbits; HEO) k¨onnen so ausgelegt werden, dass ihr Apog¨aum, in der der Satellit die l¨angste Zeit verbringt, u¨ ber der zu versorgenden Geografie liegt,zum Beispiel u¨ ber Deutschland, so dass ein Satellit hier im Zenit steht, im Gegensatz zu der geringen Elevation zum GEO. Die Bahn mit dem gr¨ossten Potential zur Erweiterung der Orbitalkapazit¨at ¨ ist der Inclined Geo-Synchroneous Orbit (IGSO), ein gegen die Aquatorialebene gekippter (geneigter) GEO. Der IGSO erm¨oglicht die Verdreifachung der Orbitalkapazit¨at, bei vertikalen Einfallswinkeln der Signale auch in n¨ordlichen bzw. s¨udlichen Regionen.

2.5 Die Satellitenkontrolle Ein Satellit ist im Orbit verschiedenen, nicht immer gleichen Kr¨aften ausgesetzt. Er bleibt deshalb im Orbit nicht fest auf seiner Position wie ein Richtfunkturm auf der Bergkuppe. Seine Position, Ausrichtung und Funktion wird daher in speziell dafu¨ r eingerichteten Satellitenkontrollzentren meist rund um die Uhr betreut. Die Aufgaben eines Satellitenkontrollzentrums sind zun¨achst die Positionie¨ rung des Satelliten im Orbit, sowie die Uberwachung und Steuerung des Satelliten w¨ahrend der gesamten Betriebsdauer. Dazu muss jederzeit die Orbitposition bekannt sein,die Lage und der Zustand des Satelliten.In Deutschland befindet sich das Raumfahrt-Kontrollzentrum (German Space Operations Center – GSOC) in Ober-

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2 Satellitenbahnen und die Satellitenkontrolle

pfaffenhofen. Als Einrichtung des Deutschen Zentrums f u¨ r Luft- und Raumfahrt (DLR) betreut es seit fast 40 Jahren sowohl bemannte also auch unbemannte, wissenschaftliche und kommerzielle Raumfahrtmissionen und geh¨ort zu den weltweit anerkannten Kontrollzentren. Tr¨agerraketen k¨onnen den Satelliten bis in die geostation¨are Bahn bringen und dort aussetzen. Es ist aber energetisch g¨unstiger, ihn schon im niedrigen, geostation¨aren Transfer-Orbit (GTO) auszusetzen,von dem aus er dann mit eigenen Triebwerken ohne den Ballast einer Tr¨agerrakete in den Zielorbit gesteuert wird. Neue Technologien verwenden dazu bereits kleine Ionentriebwerke statt der zurzeit noch u¨ blichen Triebwerke mit Fl¨ussigtreibstoff. Ein weiterer wesentlicher Vorteil ist, dass dann die letzte Stufe der Tr¨agerrakete nicht ebenfalls im geostation¨aren Orbit verbleibt und schlimmstenfalls mit Satelliten kollidiert. Der normale Einschuss erfolgt mit einer Tr¨agerrakete,die den Satelliten im GTO mit einem Kick in eine elliptische Bahn aussetzt, deren Perig¨aum der Aussetzpunkt ist, und deren Apog¨aum nach M¨oglichkeit in der H¨ohe des geostation¨aren Orbits liegt. Von diesem GTO wird der Satellit dann in mehreren Uml¨aufen nach mehrmaligem Z¨unden seiner Bordtriebwerke im Apog¨aum in die geostation¨are Kreisbahn (Erd-Orbit), den GEO, gehievt.Von der dort erreichten Position wird er dann in die Zielposition ger¨uckt – wiederum mit seinen Bordtriebwerken. Im GEO wirken dann Kr¨afte in Nord/S¨ud Richtung auf ihn (insbesondere der Mond) und Kr¨afte in Ost/West Richtung (das Geopotential – die Erde ist keine Gravitations-Punktquelle), die st¨andig gegengesteuert werden m¨ussen. Dies sind die Aufgaben der Positionshaltung (Position Control). Hinzu kommt die Lagehaltung (Attitude Control), die Ausrichtung des Satelliten auf die Erde. Neben dieser Satellitenkontrolle muss die Nutzlast des Satelliten st¨andig u¨ berwacht und kontrolliert werden, die Sendeleistung der Transponder und andere ¨ Ubertragungsparameter m¨ussen gepr¨uft werden, um die Funktionst¨uchtigkeit des Satelliten zu garantieren. Die Positionierung des Satelliten im Orbit geschieht in der so genannten LEOP (Launch and Early Orbit Phase). Mit der Trennung des Satelliten von der Tr¨agerrakete, also dem Aussetzen des Satelliten im All, beginnt die Verantwortung des Satelliten-Kontrollzentrums. Nach Empfang des ersten vom Satelliten ausgestrahlten Funksignals wird der Satellit dabei typischerweise in mehreren Schritten durch Z¨unden seines Haupttriebwerks auf seine endg¨ultige Bahn angehoben. Diese Phase dauert mehrere Tage, wobei der Satellit u¨ ber verschiedene Zwischenbahnen (intermediate orbits) auf den geostation¨aren Driftorbit gebracht wird. Die Positionierung am Beispiel eines Fernsehsatelliten in den GEO ist in Abb. 2.16 dargestellt. Die n¨achste Phase nach der LEOP, in der der Satellit positioniert und konfiguriert wird, sind die Commissioning Phase oder In-Orbit Tests. Hier wird der gesamte Satellit im Orbit mit seinen Redundanzen ausgetestet. Zus¨atzlich wird die Nutzlast des Satelliten zum ersten Mal im Orbit eingeschaltet und auf ihre Funktion getestet. Die Phase ist erst abgeschlossen, wenn alle Systeme ihre Funktionsf¨ahigkeit gezeigt haben und der Satellit betriebsbereit ist.

2.5 Die Satellitenkontrolle

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Abb. 2.16 Die einzelnen Phasen der Positionierung eines Satelliten im GEO (Quelle: DLR/GSOC)

Anschliessend beginnt der Routinebetrieb. In dieser Phase werden nur noch Korrekturen an der Orbitposition vorgenommen, ansonsten besteht die Aufgabe des Kontrollzentrums den Betrieb des Satelliten m¨oglichst reibungslos zu gestalten. Die Kommandierung von Aufgaben, die sich aus der Mission ergeben und der Empfang der Daten vom Satelliten sind dabei die Hauptaufgaben. W¨ahrend der gesamten Lebensdauer werden die Housekeeping Daten, also die Daten, die u¨ ber den Betriebszustand der Systeme im Satelliten Auskunft geben, ausgewertet und falls erforderlich in die Systeme eingegriffen. 2.5.1 Bestimmung der Position in Ost/West-Richtung Die Kommunikations- und Fernsehsatelliten in der geostation¨aren Umlaufbahn werden heute bis auf 0,2 L¨angengrad dicht positioniert. Ein Satellit darf also nur weniger als ±0,1◦ von seiner Sollposition abweichen. Um diese Aufl¨osung Ÿo = ±0,1◦ /10 (damit der L¨angengrad auf etwa 0,02◦ absolut gemessen werden kann) zur Vermessung der Satellitenposition mit einer Radarantenne bei z.B. 10 GHz zu erreichen, m¨usste die Antenne folgenden Durchmesser haben: Ÿ0 =

20,7◦ d·f

bzw. d =

20,7◦ 20,7◦ = = 100 m Ÿ0 · f 0,02◦ · 10

(2.19)

mit f der Betriebsfrequenz in GHz und d dem Antennendurchmesser in m. Eine andere M¨oglichkeit zur Bahnvermessung bietet die Triangulierung: Man schleift von der Ankerstation, und von zwei Stationen m¨oglichst separierten L¨angengrades o¨ stlich und westlich der Ankerstation, Signale u¨ ber den zu vermessenden Satelliten und vermisst so seine Position im Raum. Diese Vermessung, bis

40

2 Satellitenbahnen und die Satellitenkontrolle

genau auf die Wellenl¨ange des verwendeten Signals, erg¨abe z.B. bei 10 GHz eine Aufl¨osung von 3 cm. Wenn die Vermessung ergibt, dass der Satellit von seiner Sollposition weg gedriftet ist,m¨ussen (vergleichsweise kleine) Triebwerke (chemische oder elektrische, im mN-Schubkraftbereich) gez¨undet werden, um ihn wieder zur¨uckzubringen. Die Kraft, die den Satelliten in Ost/West Richtung abtreibt, ist das so genannte Geopotential, die Erdschwerkraft, die auf Satelliten in der geostation¨aren Umlaufbahn l¨angengrad-abh¨angig wirkt. Ein Satellit in einer Orbitalposition hoher Erdschwerkraft sitzt dort stabil, w¨ahrend Satelliten an den „Flanken“ zwischen Positionen hoher Schwerkraft und weniger grosser Schwerkraft in die Richtung der h¨oheren Schwerkraft abgleiten, und deshalb st¨andig und treibstoffaufwendig positionskorrigiert werden m¨ussen. Die zwei L¨angengrade h¨ochster Erdschwerkraft in der geostation¨aren Umlaufbahn sind bei 75◦ O und 105◦W; Satelliten in diesen Positionen m¨ussen nicht Ost/West korrigiert werden. 2.5.2 Position in Nord/Sud-Richtung Bis hin zu Jupiter, Mars und Venus werden deren Anziehungskr¨afte bei der Bahnhaltung ber¨ucksichtigt (sie verursachen je 2 cm Bahnabweichung). Diese und ganz speziell auch die Anziehungskraft des Mondes dr¨ucken auch die Bahnebene der ¨ GEOs, sie kippen sie aus der Aquatorialebene um 0,8◦ Inklination pro Jahr. Auch dieser Kraft muss entgegengewirkt werden, da der Satellit in der inklinierten Bahnebene nicht geostation¨ar ist, sondern die Inklination t¨aglich durchl¨auft: Er f¨ahrt auf seinem L¨angengrad von einem n¨ordlichen Breitengrad des Wertes der Inklina¨ tion durch den Aquator bis auf einen s¨udlichen Breitengrad dieser Inklination und zur¨uck. Die Sende- und Empfangsantennen am Boden m¨ussten dieser Bewegung st¨andig nachgef u¨ hrt werden. Auch die Nord/S¨ud Korrektur kann mit (kleinen) Triebwerken (chemischen oder elektrischen) durchgef u¨ hrt werden. Da es ohne Einfluss ist, um welche Tageszeit die Gegensteuerung stattfindet, bietet es sich an, die heute verfu¨ gbaren elektrischen Triebwerke (Ion Thrusters) einzusetzen. Diese k¨onnen entweder st¨andig betrieben werden und somit eine kontinuierliche Gegenkraft erzeugen oder sie werden zu bestimmten Tageszeiten benutzt, in denen aufgrund geringeren Nutzlastverkehrs mehr elektrische Energie an Bord verf u¨ gbar ist. Die mit Ionentriebwerken erzeugte Schubkraft (im mN Bereich) eignet sich vor allem, wie oben beschrieben, zur Korrektur der Inklination, da hier der ben¨otigte Schub u¨ ber einen langen Zeitraum verteilt werden kann. F¨ur Ost/West Korrekturen werden dagegen vorzugsweise chemische Aggregate mit einer Schubkraft im N-Bereich verwendet, da hier der Schub jeweils innerhalb eines m¨oglichst kurzen Zeitraums erzeugt werden muss. Der Hauptvorteil von Ionentriebwerken liegt in der Gewichtseinsparung; er kann mehrere 100 kg im Vergleich zu chemischen Triebwerken betragen, der Treibstoff (Xenon, Quecksilber) f u¨ r die gleiche Schubkraft wiegt weniger als 1/10 dessen, was chemische Treibstoffe wiegen w¨urden. Der Wirkungsgrad liegt bei > 70% (Antriebsimpuls pro Treibstoffmasse), die Schub-

2.5 Die Satellitenkontrolle

41

¨ kraft bei > 100 mN. Ublicherweise wird keine zus¨atzliche elektrische Energiequelle an Bord ben¨otigt. Die Funktion dieser Thrusters ist zun¨achst nicht un¨ahnlich der einerVerst¨arkerr¨ohre: Aus einer „Kathode“ werden Ionen (mit Hilfe eines hochfrequenten Wechselfeldes) ausgeschieden, die dann bei Durchflug eines Gitters beschleunigt werden und beim Austritt einen Impuls in die entgegengesetzte Richtung erzeugen.Obwohl die Masse eines Einzelions sehr klein ist, ergibt der Austritt einer grossen Zahl von Ionen mit einer Austrittsgeschwindigkeit von 105 m/s bis 1% der Lichtgeschwindigkeit einen nutzbaren Impuls. 2.5.3 Ausrichtung Dass sich der Satellit auf der richtigen Position befindet,ist eineVoraussetzung,aber f u¨ r seinen Nutzlastbetrieb nicht hinreichend. Er muss auch korrekt ausgerichtet sein, so dass die Antennen zur Erde und dort in das richtige Zielgebiet schauen. Dazu werden drei Drallr¨ader (Momentum Wheels, Reaction Wheels) im Satelliten, in den drei Achsen des Koordinatensystems, eingesetzt. Mit dem Drehmoment des Momentum Wheels, das mit seiner Drehachse in der Nord/S¨ud-Achse des Satelliten (Pitch) eingebaut ist, wird der Satellit um diese Achse stabilisiert. Durch gezielte ¨ Anderungen der Drehzahlen des Momentum Wheels sowie der Reaction Wheels kann die Satellitenlage um alle drei Achsen elektrisch, also ohne den Einsatz von Triebwerken, kontrolliert werden. Erreicht ein Drallrad aufgrund der akkumulierten kompensierten St¨ormomente seine Maxima- oder Minimaldrehzahl, muss es „entladen“ werden. F¨ur eine solche Entladung wird durch Z¨unden von Triebwerken ein Gegenst¨ormoment aufgebaut, das durch eine entsprechende Drehzahl¨anderung des Drallrads abgebaut wird. 2.5.4 Funktion ¨ Die Uberwachung der Funktionalit¨at, z.B. der fernmeldetechnischen Nutzlast, erfolgt u¨ ber den Empfang und die Auswertung von Fernwirkdaten (Telemetry Data). Diese zeigen den Zustand s¨amtlicher betriebswichtiger Systeme und Subsysteme der Nutzlast an und bewertet sie als „alles im gr¨unen Bereich“, „nicht mehr im gr¨unen Bereich“ und „Ausfall!“. Die Bordrechner (und die Data Handling Unit) sind heute sehr leistungsf¨ahig und korrigieren einen grossen Teil von Anomalien selbst¨andig ohne Hilfe vom Boden. Nur nicht vorhersehbare Massnahmen und gr¨ossere Aktionen wie das Abschalten oder die Aktivierung einer Wanderfeldr¨ohre, die Ausrichtungs¨anderung einer Antenne, das Verschieben des Satelliten auf eine andere Position oder das Abschalten des Satelliten etc. werden vom Boden aus per Telekommando durchgef u¨ hrt. 2.5.5 Der Betrieb von sicherheitsrelevanten Satelliten Einfache sicherheitsrelevante Nutzlasten, die aus wenigen Transpondern bestehen, werden oft auf kommerziellen Kommunikationssatelliten kosteng¨unstig mitgeflo-

42

2 Satellitenbahnen und die Satellitenkontrolle

gen. Die Satellitenkontrolle erfolgt in der Regel durch den Betreiber des kommer¨ ziellen Satelliten, die Uberwachung und Kontrolle der sicherheitsrelevanten Transponder kann dieser Betreiber im Auftrag mit u¨ bernehmen oder sie kann auch in einem separaten Nutzlastkontrollzentrum der Streitkr¨afte durchgef u¨ hrt werden, das dann auf besonders gesch¨utztem Gel¨ande stationiert ist, so dass ein fremder Eingriff in die Transponderkontrolle unterbunden wird. Dedizierte sicherheitsrelevante Satelliten wurden in der Vergangenheit von den Milit¨ars auf ihren Basen u¨ berwacht und kontrolliert. Immer mehr geht man aber dazu u¨ ber, sich den Satellitenbetrieb von kommerziellen Betreibern oder nationalen Einrichtungen (wie z.B. in Deutschland das GSOC) durchf u¨ hren zu lassen. Diese k¨onnen hierfu¨ r erfahrenes Personal einsetzen und auch die sicherheitsrelevanten Satelliten zuverl¨assig betreiben. Es wird dann ein besonders gesch¨utzter Bereich f u¨ r die Kontrolle des sicherheitsrelevanten Satelliten eingerichtet. Der Grad des Schutzes richtet sich nach der jeweiligen Mission und wird vom Auftraggeber bestimmt. Es m¨ussen dann unter Umst¨anden sowohl die H¨artung der Geb¨aude,Antennenanlagen und Infrastruktur vorgesehen, als auch Sicherheits¨uberpr¨ufungen oder -belehrungen des beteiligten Personals durchgef u¨ hrt werden. Durch die N¨ahe zu anderen Missionen k¨onnen einige Experten dort eingesetzt werden, wo ihre Erfahrung gerade besonders gefragt ist. Globale milit¨arische Satellitensysteme, wie die der Streitkr¨afte der USA, werden von besonders aufwendig gesch¨utzten Kontrollzentren betreut. Die meisten dieser grossen Programme wie MILSTAR und andere sind mit Inter-SatellitenVerbindungen (ISL)4 ausger¨ustet, u¨ ber die nicht nur die Kommunikation zu den vom Heimatland entfernten Satelliten in die „Out of Area“ stattfindet, sondern auch die entfernten Satelliten von den nationalen Kontrollzentren aus u¨ berwacht und kommandiert werden k¨onnen. F¨ur diese milit¨arischen Fernmeldesatelliten wurde schon fr¨uh in der Entwicklung der Satellitentechnik gefordert, dass sie 180 (und heute bis zu 300) Tage autark ohne Eingriff vom Boden weiterfliegen k¨onnen, wenn durch kriegerische Einwirkung die Kontrollstation am Boden ausser Gefecht gesetzt wurde.Diese Technologie wird heute auch mehr und mehr in kommerziellen Satelliten eingesetzt, um deren Betrieb noch robuster und damit kosteng¨unstiger zu gestalten. 2.5.6 Die Satellitenkontrolle am Beispiel GALILEO Das deutsche Raumfahrtkontrollzentrum arbeitet im so genannten „Netzwerk der Zentren“ (Network of Centers; NofC) mit den europ¨aischen Kontrollzentren, um die Effektivit¨at und Auslastung der beteiligten Zentren zu verst¨arken. Zum Netzwerk geh¨oren u.a. das ESOC („European Space Operations Centre“) in Darmstadt, das CNES („Centre National d’Etudes Spatiales“) in Toulouse etc. Die Idee einer Zusammenarbeit, bei der alle Partner so weit wie m¨oglich fu¨ r die anderen Mitglieder transparent bleiben, bringt Vorteile mit sich, nicht nur fu¨ r die Zentren selbst. Durch die B¨undelung der Kompetenzen kann das bestm¨ogliche Angebot pr¨asentiert werden, 4

ISL = Inter Satellite Link

2.5 Die Satellitenkontrolle

43

Zum einen ist es bei Grossprojekten erforderlich, die Aufgaben aufzuteilen. Zum anderen stellt man ein starkes europ¨aisches Gegenst¨uck zu den internationalen Kontrollzentren dar und spielt auch auf dem internationalen Markt eine entscheidende Rolle, was dem Verbund aus mehreren europ¨aischen Einrichtungen leichter f¨allt, als einem einzelnen Zentrum. Ein Grossprojekt, bei dem das der Fall ist, ist GALILEO. Transparenz den Partnern gegen¨uber heisst aber nicht, dass die Zentren ihre Selbstst¨andigkeit verlieren. Jede der beteiligten Einrichtungen hat eine eigenst¨andige Leitung und entscheidet selbst u¨ ber ihr Vorgehen im Rahmen der ihr u¨ bertragenen Zust¨andigkeit. Das Satellitennavigationsprogramm Galileo besteht aus einer Konstellation von 30 Satelliten (27 + 3), auf einer Umlaufbahn von 24 000 km, also in mittlerer H¨ohe (MEO = Medium Earth Orbit). Das Empfangsger¨at am Boden erm¨oglicht es dem Benutzer jederzeit, seinen Standort und die Uhrzeit mit Hilfe der Signale von mehreren Satelliten zu bestimmen5 . Der erste Schritt im Rahmen dieses Grossprojektes war die Definition des Programms,die von der Europ¨aischen Weltraumorganisation ESA beaufsichtigt wurde. Die anschliessenden Phasen gliedern sich wie folgt: i. Galileo System Test Bed (GSTB); das sich wieder in zwei Phasen teilt: (1) GSTB-V1: Die Test- und Validierungsphase, bei der das Gesamtsystem (Frequenzen,Bodenstationen etc.),also alle Systeme ohne den Satelliten,gepr¨uft und bewertet wurde. Diese Phase dauerte bis Mitte 2005. (2) GSTB-V2: Hier werden zwei Testsatelliten geflogen, der Erste seit Anfang 2006, mit denen das System im Orbit u¨ berpr¨uft wird. ii. In Orbit Validation Phase (IOV); in dieser Phase befinden sich vier weitere Galileo Satelliten im Orbit. Sie dient zum Testen des Navigationsservices, d.h. auch das Galileo Kontrollzentrum soll bereits voll einsatzf¨ahig sein. iii. Full Operationel Capability (FOC, der Routinebetrieb); die Betriebsphase des Galileo Systems.Alle 30 Satelliten befinden sich im Orbit und das Bodensegment ist voll ausgebaut. Diese Phase ist auf 20 Jahre ausgelegt und soll 2008 beginnen. ¨ Die Aufgaben des Kontrollzentrums in der Routinephase reichen von der Uberwachung der Grundfunktionen des Satelliten (sog. Housekeeping), u¨ ber die Kontrolle der Nutzlast, bis hin zur Bereitstellung des gesamten Bodensegments mit den verbundenen Kommunikationsnetzen. Das Kontrollzentrum ist dafu¨ r verantwortlich, ein ununterbrochenes Navigationssignal f u¨ r alle Nutzer sicherzustellen und so f u¨ r den reibungslosen Betrieb des gesamten Systems zu sorgen. Im Detail gliedern sich die Aufgaben in die Grundsystemsteuerung der Satelliten (Lageregelung, Orbitkontrolle, Kontrolle der ausgesendeten Navigationsnachrichten), die Nutzlastkontrolle. Kontrolle und Steuerung der global aufgestellten Bodenanlagen, sowie der Infrastruktur der Kontrollzentren, Planung von Aktivit¨aten und Man¨overn, Instandhaltung und Versionskontrolle der Satelliten und Bodenanlagen bez¨uglich Hardware und Software und Leitung und Verwaltung der ¨ Aufgabenfelder. Im Kontrollzentrum stehen f u¨ r die Uberwachung der Satelliten 24 Stunden pro Tag, sieben Tage die Woche, Schichtpersonal zur Verf u¨ gung. 5

siehe auch Hans Dodel und Dieter H¨aupler,„Satellitennavigation“, H¨uthig Verlag, 2004

44

2 Satellitenbahnen und die Satellitenkontrolle

Das DLR hat die deutsche Galileo Test- und Entwicklungsumgebung GATE eingerichtet, die das GSOC ab Anfang 2007 in Betrieb nehmen wird.

2.6 Zusammenfassung Es gibt eine Reihe von Bahnen unterschiedlicher Eigenschaften. Der GEO ist f u¨ r die Kommunikation am geeignetsten. Insbesondere globale Systeme k¨onnen in k¨urzester Zeit aufgebaut werden. Auch nationale und regionale Systeme greifen zuerst auf den GEO zu – m¨oglichst mit Elevationen von 10◦ oder mehr. F¨ur globale Dienste ben¨otigt man mindestens zwei GEOs, wenn sie landgebunden sind, bzw. drei, wenn auch die Ozeane, nicht aber die Pole, bedient werden sollen. F¨ur die Bedeckung der Erde einschliesslich der Pole werden f u¨ nf IGSOs ben¨otigt. Konstellationen mit mehr als f u¨ nf Satelliten f u¨ r die Kommunikation sind ineffizient in der Konstellation und f u¨ hren zu Ineffizienz in der Spektrumsnutzung (25% Effizienz bei Globalstar, wo der Teilnehmer vier Satelliten anstrahlt, also drei (75%) mehr als n¨otig). Die S¨attigung des GEO fu¨ hrt unter anderem zu HAPs: Flugzeuge, Zeppeline und Ballons. Zeppeline und Ballons haben sich bislang nicht bew¨ahrt, da sie ihre Position nicht halten k¨onnen. PEO ist fu¨ r die Kommunikation weniger effizient als GEO; es gibt wenig Kunden an den Erdpolen. IGSO sind f u¨ r Kommunikation sinnvoll, wenn Verkehrsaufkommen z.B. in Japan und Australien sie im Norden und im S¨uden auslasten. Mit zwei geostation¨aren Satelliten k¨onnen 98% der Erdbev¨olkerung erreicht werden. Die restlichen 2% mit 66 oder gar 840 umlaufenden Satelliten zu bedienen, ist nicht wirtschaftlich. LEOs fliegen 94% der Zeit u¨ ber Wasser oder W¨uste. Mehr als 90% des gesamten Telefonverkehrs ist lokal. Transkontinentale Gespr¨ache werden von Kulturschwellen,Sprach- und Zeitunterschieden eingeschr¨ankt. Der IGSO ist auch fu¨ r Navigation geeignet; man kann mit weniger Satelliten die gleiche Verf u¨ gbarkeit wie eine MEO-Konstellation erreichen; eine zweite Konstellation GNSS w¨urde sinnvollerweise dissimilare Orbits nutzen. Schadensf¨alle, die die eine Bahn belasten (Leoniden, Solarstrahlungen, Space Debris etc.) treten in der anderen nicht gleichzeitig auf,so dass das Gesamtsystem erh¨ohte Verfu¨ gbarkeit bietet.

Literaturhinweise Oberth, Hermann, „Die Rakete zu den Planeten“; Klausenburg, Rum¨anien; 1923; R. Oldenburg, M¨unchen und Berlin, 1929; 2. Auflage Kriterion Verlag Bukarest, 1974 Noordung, Herrmann, „Das Problem der Befahrung des Weltraums – Der Raketenmotor“, Richard Carl Schmidt & Co., Berlin, 1929 Clark, Arthur C.,„Extraterrestrial Relays“, Wireless World,Vol. 51, October 1945, pp. 305–308 Renner, U., Nauck, J., und Balteas, N.,„Satellitentechnik“, Springer, Berlin, 1991

Literaturhinweise

45

Morgan, Walter L., and Gordon, E., „Principles of Communications Satellites“, Wiley-Interscience, New York, 1993 Walker,John,„Satellite Constellations“; Pulications of the Journal of the Bristish Interplantary Society, 37:559–571 Hofmann-Wellenhof, B., Kegat, K., Wieser, M., „Navigation – Principles of Positioing and Guidance“, Springer, 2003 Kiselev, A.I., Medvedev, A.A., Menshikov, V.A., „Astronautics – Summary and Prospects“, Springer, 2003 Tajmar, M.,„Advanced Space Propulsion Systems“, Springer, 2003

3 Frequenzen und ihre Koordinierung

„ . . . erhalte die Ordnung damit die Ordnung Dich erh¨alt!“ Dieser Leitsatz gilt nirgendwo so sehr wie im Funkwesen; um „Wellensalat“ zu verhindern und das endliche Spektrum so vielen wie m¨oglich zug¨angig zu machen, gilt der „§1 der Funkverkehrsordnung1“:  Das Frequenzspektrum ist st¨orungsfrei und bandbreiteneffizient zu nutzen. Wie ist die Nutzung national und international geregelt? Wie l¨asst man einen Satelliten zu? Wie verhindert man „Wellensalat“ (s. Abb. 3.1)? ¨ Ahnlich dem internationalen Register f u¨ r Schiffe gibt es bei den Verein¨ ten Nationen ein Zentralregister der Satelliten. Uber dieses Register k¨onnen eigentumsrechtliche Prozesse gefu¨ hrt werden wie die in der Schifffahrt u¨ blichen Pf¨andungsf¨alle. Die Eintragung erfolgt nach dem Eignerstaat. Deutsche Satelliten werden u¨ ber das Bundesamt f u¨ r Luftfahrt (BS) angemeldet. Bislang wurden u¨ ber 100 deutsche Satelliten eingetragen (und etwa 10 geflogen). Die funktechnische Anmeldung erfolgt bei der Internationalen Fernmeldeunion (International Telecommunications Union; ITU), die die Funkvertr¨aglichkeit des Betriebs sicherstellt. Die Orbitpositionen und das Frequenzspektrum (von 7 kHz bis 1000 GHz, via Satellit und terrestrisch genutzt) werden von der ITU verwaltet. Sie reguliert und bertreut alles was funkt, vom Garagentor¨offner bis zum Hochleistungsradar. Der ITU wurde zu Beginn der Funktechnik im Jahr 1863 in Genf begr¨undet und im Jahr 1947 in die UNO eingegliedert. Heute geh¨oren ihr ca. 200 Nationen an, in den drei in Abb. 3.2 gezeigten Regionen der Welt (die schattierten Gebiete sind f u¨ r Ausbreitungszwecke als die Tropen definiert). 1

¨ Ahnlich dem § 1 der Strassenverkehrsordnung („Jeder Verkehrsteilnehmer hat sich so zu verhalten, dass kein Anderer gesch¨adigt, gef¨ahrdet oder mehr als nach den Umst¨anden unvermeidbar, behindert oder bel¨astigt wird“), lautet der § 1 der Funksverkehrsordnung (Fernmeldegesetzt): „Das Frequenzspektrum ist effizient und st¨orungsfrei zu benutzen, so dass kein Anderer gesch¨adigt,gef¨ahrdet oder mehr,als nach den Umst¨anden unvermeidbar, behindert oder bel¨astigt wird“.

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3 Frequenzen und ihre Koordinierung

Abb. 3.1 Die verschiedenen Funkstrecken im ortsfesten Satellitenfunk (Satellit zu Geb¨aude), mobilen Satellitenfunk (Satellit zum Handy,Auto, Zug, Flugzeug und Schiff) und terrestrisch (Geb¨aude zu Geb¨aude; gestrichelt), alle auf der gleichen Frequenz

Abb. 3.2 Die drei Verwaltungsregionen der ITU: Europa, Afrika und GUS (1), der amerikanische Kontinent (2) und die u¨ brige Welt (3)

Die Unterteilung der Welt in drei Regionen war eine pragmatische L¨osung des Problems der weltweiten Regelung: Was in Asien vorteilhaft ist, ist in Europa nicht immer optimal. Trotzdem versucht man verst¨arkt die Harmonisierung der regionalen Regelungen, das heisst, ihre Verschmelzung auf weltweiter Basis.

3 Frequenzen und ihre Koordinierung

49

Die Constitution, die Convention, sowie die Administrative Regulations der ITU bilden gem¨ass Artikel 4 der Constitution die Rechtsgrundlage f u¨ r die Beh¨orde und sind gem¨ass Artikel 6 der Constitution von den Mitgliedsstaaten bei der Errichtung und dem Betrieb von Telekommunikationsanlagen und -stationen zu beachten, die dem internationalen Telekommunikationsservice dienen oder in der Lage sind, schadhaften Einfluss auf Funkdienste anderer L¨ander zu nehmen. Dieses Regelwerk der ITU wird alle vier Jahre aktualisiert, zuletzt w¨ahrend der Plenipotentiary Conference (Konferenz der Regierungsbevollm¨achtigten) 2006. Die ITU hat drei Sektoren: den Radiocommunications Sector (ITU-R) f u¨ r die Funkdienste und Orbitpositionen, den Telecommunications Standardisation Sector (ITU-S) und den Development Sector (ITU-D) zur Unterst¨utzung der Drittl¨ander. Der ITU-S hat fu¨ r Nutzerendger¨ate f u¨ r Global Mobile Personal Communications ¨ Services (GMPCS) eine Registration Mark („TUV-Plakette“) erlassen. Handys und Terminals mit dieser Plakette d¨urfen in allen Mitgliedsstaaten der ITU roamen (d¨urfen also auch nicht bei der Einreise in manche Staaten vom Z¨ollner entfernt werden, wie das bei B-Netz-Telephonen noch der Fall war). Die ITU-Mitglieder waren fr¨uher nur die hoheitlichen Regulierungsbeh¨orden; in Zukunft soll auch die Industrie mit mehr Rechten zugelassen werden. Die Funkdienste und die Orbitpostionen werden in der ITU-R mit Hilfe der Radio Regulations (RR) behandelt, einem Tei der o.g. Administrative Regulations. Sie haben gem¨ass Artikel 4 der Convention ausdr¨ucklich rechtsverbindenden Charakter f u¨ r die Mitgliedstaaten. Die ITU-R veranstaltet ca. alle drei Jahre eine Weltfunkkonferenz2 , in der die Mitgliedstaaten das Prozedere festlegen, wie die Frequenzen zu verteilen und zu zu regulieren sind. Der ITU-Stab in Genf verwaltet nach diesen Vorgaben. Das Verteilen geschieht wie folgt: – Zuweisung (Allocation) von Frequenzen an Dienste, – Zuteilung (Assignment) von Frequenzen an Betreiber oder Nutzer, – Zuordnung (Allotment) von Frequenzen an L¨ander. ITU-Anmeldungen k¨onnen nur u¨ ber designierte nationale Beh¨orden get¨atigt werden – in Deutschland die Bundesnetzagentur f u¨ r Elektrizit¨at, Gas, Telekommunikation, Post und Eisenbahnen (BNetzA; zuvor Regulierungsbeh¨orde f u¨ r Telekommunikation und Post – RegTP) im BMWA, Bonn. Seit 1992 („Iridium Conference“) und sp¨atestens im Jahr 1995 („GlobalStar-“ und „1. Teledesic Conference“) haben insbesondere die USA die weltwirtschaftliche Bedeutung der Funkkonferenzen erkannt und f u¨ r sich genutzt. Eine Gegenkraft k¨onnte eine proaktive Haltung Europas in der Satellitenkommunikation sein. Auch die EC beginnt schrittweise, Sachverstand und Diplomatie in die internationalen Abstimmungen einzubringen. 2

WRCWorld Radiocommunications Conference; 1967 (Maritime Services), 1971, 1974 (Maritime Conference), 1977 (die fatale 1. BSS-Konferenz), 1979 (Mammut-Konferenz von 12 Wochen; dann 13 Jahre Unterbrechung), 1992 (IRIDIUM-Konferenz), 1995 (GlobalStarund 1. Teledesic-Konferenz), 1997 (2. TELEDESIC-Konferenz), 2000 (1. GALILEO- und 2. BSS-Konferenz), 2003 (2. Galileo Konferenz), 2007.

50

3 Frequenzen und ihre Koordinierung

3.1 Orbitzuweisungen Es gibt neben den von den Betreibern beantragten Orbitpositionen auch von der WRC„geplante“ Orbitzuweisungen.Die WRC’77-DBS-Zuteilungen sind ein Beispiel f u¨ r „Geplante“ (Luxemburg erhielt die Position 19◦W, typisch f u¨ r solche Zuweisungen; ASTRA sitzt auf 19,2◦O). Kaum eine WRC’77-Position wurde je genutzt. Die flexibleren, ungeplanten Zuweisungen machen das Gesch¨aft (siehe die mehr als 100 Transponder von ASTRA). Daneben gibt es aber auch „geplante“ FSS Zuweisungen, die insbesondere von den L¨andern gern genutzt werden, die erst jetzt auf Satelliten zugreifen und sich schwer tun w¨urden, sich in den weitgehend vergebenen „ungeplanten“ B¨andern und Orbitpositionen einzuf u¨ gen. Positionszuteilungen mit Koordinierungsprozessen auf der Basis gegenseitiger St¨orberechnung werden wohl in Zukunft die Regel sein. An die Position stellt der Betreiber haupts¨achlich die Forderung,dass der Satellit f u¨ r ihn so hoch wie m¨oglich am Firmament steht, der Erhebungswinkel " > 20◦ ist, f u¨ r gute Sichtbarkeit insbesondere im urbanen Bereich und f u¨ r gute Signalausbreitung sorgt; je flacher das Signal empfangen wird, desto leichter wird es gest¨ort und an der Erdoberfl¨ache reflektiert, was zu „Geisterbildern“ f u¨ hrt. 3.1.1 Orbitalabstande Ein gewisser Abstand zwischen Satelliten muss sein, um die St¨orung benachbarter Systeme zu vermeiden. Da die Satelliten inhomogen sind (verschiedene Modulationsverfahren, Sendeleistungen etc.), m¨ussen die Abst¨ande noch gr¨osser sein, als wenn alle Satellitennutzlasten gleich w¨aren. Die Massenanziehungskraft zwischen Satelliten ist in praxi unbedeutend; es k¨onnen bis zu zehn Satelliten (mit dedizierten Frequenzen oder unterschiedlichen geografischen Zielgebieten) auf derselben Position koloziert werden (siehe ASTRA auf 19,2◦ O). Die Position der Satelliten wird bis auf Meter genau vermessen und auf < 0,1◦ L¨ange genau (ca 74 km) eingehalten. Die Separierung zum Nachbarsatelliten begrenzt die Nutzung des Satelliten – abh¨angig vom Erdfunkstellendurchmesser.Das Ziel des Betreibers ist es,ein Tr¨ager/ St¨orleistungsverh¨altnis von z.B. c/i > 100 zu haben (c ist die eigene Signalleistung, i die durch das Nachbarsystem verursachte St¨orleistung, beide in W). i ist eine Funktion der Antennendiskriminierung G zum St¨orer (s. Abb. 3.3). F¨ur eine geforderte Antennendiskriminierung G (bei gleichen EIRP-Werten muss G f u¨ r ungest¨orten Empfang typischerweise > 20 dB sein) ergibt sich fu¨ r einen vorgegebenen Orbitabstand ein minimal notwendiger Antennendurchmesser. Abbildung 3.3 zeigt die Antennengewinne Go (in Hauptstrahlrichtung) zum eigenen Satelliten und G1 zum Nachbarsatelliten. Die Antennendiskriminierung ist gegeben durch G = Go − G1 in dB. Tabelle 3.1 zeigt die Antennendiskriminierung G des Nachbarsatelliten (bei f = 11 GHz) als Funktion des Antennendurchmessers und des Orbitabstandes.

3.2 Elektromagnetische Vertr¨aglichkeit; St¨orpegelberechnung

51

Abb. 3.3 Antennendiskriminierung zum benachbarten Satelliten Tabelle 3.1 Antennendiskriminierung G [dB] vs. -durchmesser und Orbitabstand f¨ur f = 11 GHz (G > 30 dB nicht eingetragen) Orbit- Antennendurchabstand messer [m] ⇒ 0,2 ◦

1,0 1,5◦ 2,0◦ 2,5◦ 3,0◦ 3,5◦ 4,0◦ 4,5◦ 5,0◦ 5,5◦ 6,0◦ 6,5◦ 7,0◦

0,2 0,4 0,6 1,0 1,4 1,9 2,5 3,2 3,9 4,7 5,6 6,6 7,7

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,4 0,8 1,4 2,2 3,2 4,3 5,6 7,1 8,8 10,7 12,7 14,9 17,3

0,6 1,4 2,5 3,9 5,6 7,7 10,0 12,7 15,7 19,0 22,6 26,5 30,7

1,0 2,2 3,9 6,1 8,8 12,0 15,7 19,8 24,5 29,6 35,5

1,4 3,2 5,6 8,8 12,7 17,3 22,6 28,6 34,4 42,5

1,9 4,3 7,7 12,0 17,3 23,5 30,7 30,1

0,8

0,9

1,0

1,1

1,2

2,5 3,2 3,9 4,7 5,6 5,6 7,1 8,8 10,7 12,7 10,0 12,7 15,7 19,0 22,6 15,7 19,8 24,5 29,6 30,0 22,6 28,6 35,3 30,7

Beispiel: Es wird ein St¨orabstand G > 20 dB gefordert; der Nachbarsatellit ist 3◦ separiert; der Antennendurchmesser muss > 0,7 m, > 0,8 m, also 0,75 m sein.

3.2 Elektromagnetische Vertraglichkeit; Storpegelberechnung Die gegenseitige Vertr¨aglichkeit von Funksystemen (auch Satellitensystemen) ist durch ITU-Vorschriften geregelt. Die elektromagnetische Vertr¨aglichkeit (EMV, Electromegnetic Compability, EMC) bedeutet, dass ein System im elektromagnetischen Umfeld leistungseingeschr¨ankt funktioniert und auch keine elektromagnetische Abstrahlung verursacht, die andere st¨oren k¨onnte. Hierzu sind auch die relevanten Satelliten- und Erdfunkstellenparameter festgelegt und die St¨orpegelberechnung definiert. Abbildung 3.4 zeigt die St¨orung einer fremden Erdfunkstelle durch den Satelliten, Abb. 3.5 die St¨orung eines fremden Satelliten durch die eigene Erdfunkstelle (C ist die eigene Signalleistung, I die durch das Nachbarsystem verursachte St¨orleistung, beide in dBW).

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3 Frequenzen und ihre Koordinierung GEO

eigener Satellit ϕ Antennenhauptstrahl

Go

Nachbarsatellit G1

GEO

eigener Satellit

ϕ Go

Antennenhauptstrahl

Φ

eigene NachbarEmpfangsstation empfangsstation

Abb. 3.4 St¨orung einer fremden Empfangsantenne

Nachbarsatellit

Φ

G1

eigene NachbarEmpfangsstation empfangsstation

Abb. 3.5 St¨orung eines fremden Satelliten

Das Tr¨ager/St¨orleistungsverh¨altnis in der Nachbarempfangsstation (Abb. 3.4) ist C-I = EIRPfremder sat − EIRPeigener sat + Gsat (' ) + Gerdf ()

(3.1a)

Das Tr¨ager/St¨orleistungsverh¨altnis im Nachbarsatelliten ist C-I = EIRPfremde erdf − EIRPeigene erdf + Gerdf . (' ) + Gsat ()

(3.2a)

G sind die Gewinnabf¨alle der Antennen relativ zur Strahlachse. Es muss nun z.B. C-I > 35 dB fu¨ r einen St¨orer bzw. C-I > 30 dB fu¨ r die Summe der St¨orf¨alle sein. Neue Systeme werden nur zugelassen, wenn sie nachweisbar keine St¨orung der vorhandenen Systeme verursachen (das Prinzip der Non Interference im Verbund mit der First Come, First Served Regel). Die Bestimmung der St¨orung ist im „RR Appendix 29“ der ITU festgehalten. Man kann die Leistung I entweder auf die eigene Tr¨agerleistung C beziehen, also z.B. C-I > 35 dB (tr¨agerbezogen), oder auf die eigene Rauschleistung N (rauschleistungsbezogen). Das erste Konzept ist die C-I, das zweite die t/t Methode. 3.2.1 Die C-I > 35 dB Methode Das analoge St¨orungskriterium l¨asst sich als das Verh¨altnis von St¨orleistung I zur Tr¨agerleistung C ausdr¨ucken: C-I. F¨ur jeden Einzelst¨orfall sollte C-I > 35 dB sein. Die Summe aller St¨orungen einer Strecke sollte £C-I = C − £I > 30 dB sein. 3.2.2 Die žt/t < 6% Methode Die C-I Betrachtung der St¨orung l¨asst ausser Acht,wie gut oder schlecht das gest¨orte C-N ist. Ist es relativ hoch (> 10 dB), sp¨urt der Tr¨ager die St¨orung empfindlich und es ist sinnvoll, C-I > 30 dB zu fordern. Ist es relativ niedrig (C-N < 10 dB), ist der Tr¨ager stark verrauscht und sp¨urt die St¨orung weniger. Es ist nicht sinnvoll, pauschal C-I > 30 dB zu verlangen. Also bezieht man das Verh¨altnis C-I auf das Tr¨ager/Rauschleistungsverh¨altnis C-N des gest¨orten Tr¨agers und verlangt (C-I) − (C-N ) > 12,2 dB,

(3.3)

3.2 Elektromagnetische Vertr¨aglichkeit; St¨orpegelberechnung

53

das Tr¨ager-zu-St¨orer-Verh¨altnis muss 12,2 dB besser als das Tr¨ager-zu-RauschVerh¨altnis sein; der St¨orer degradiert das Tr¨ager-zu-Rausch-Verh¨altnis um < 0,25 dB. K¨urzt man in Gl. 3.2 die Tr¨agerleistung C, so erh¨alt man N − I > 12,2 dB (N das thermischen Rauschen, I die St¨orleistung). K¨urzt man im Verh¨altnis N − I die Bandbreite B und K (wobei n = t b k), so erh¨alt man T − Ti bzw. fu¨ r Ti ≡ T die St¨orung, auch T − T > 12,2 dB bzw. t/t > 16,7 oder

t/t < 6%.

Die St¨orleistung ist nicht auf die Tr¨agerleistung bezogen, sondern auf die eigene Rauschleistung. Diesem t/t < 6% entspricht fu¨ r ein C-I = 30 dB das T¨ager/ Rauschleistungsverh¨altnis C-N = 17,8 dB, ein relativ hoher Wert. Typische C-N bei ¨ digitaler Ubertragung mit Fehlerschutzcodierung liegen bei 5 bis 10 dB. Der Bezug der St¨orleistung auf das thermische Rauschen des gest¨orten Tr¨agers macht die St¨orpegelberechnung unabh¨angig von der Fehlerkorrektur auf der ¨ gest¨orten Ubertragung. Wird z.B. ein Fehlerkorrekturcode eingesetzt und das C-N ¨ der Ubertragung um z.B. 5 dB reduziert, a¨ ndert diese Codierung nicht das thermische Rauschen N (bzw. T) der Strecke, sondern reduziert nur die ben¨otigte Tr¨agerleistung C. Die C-I > 35 dB Methode w¨urde hier dem St¨orer 5 dB mehr St¨orleistung zugestehen. Dies w¨are nicht im Sinne dessen, der den Codieraufwand betreibt. Die t/t < 6% Methode kann also ohne Ber¨ucksichtigung eventueller Codierung angewandt werden, da sie auf die durch die Codierung nicht ver¨anderte Rauschtemperatur T bezogen ist. Es ist also £t/t < 0,06 bzw. < 6% oder 0,25 dB. Wichtig ist: die 6%-St¨orung gilt pro St¨orer. Wenn zehn Quellen st¨oren, wird die Gesamtst¨orung 60%, so dass Rauschen plus St¨orung 160% (oder 10 log(1,60) = 2 dB) des Rauschens werden. 3.2.3 Uplink und Downlink Bei seriellen Strecken (wie der Satellitenauf- und -abstrecke) werden die Einzelverh¨altnisse t/t wie Tr¨agerrauschleistungsverh¨altnisse zusammengefasst, also £t/t = tauf /tauf + tab /tab , das St¨orungs/Rauschverh¨altnis derAufstrecke wird zum St¨orungs/Rauschverh¨altnis der Abstrecke hinzugef u¨ gt. 3.2.4 Die Sto rleistung F¨ur die St¨orpegelberechnung werden sowohl die Tr¨agerleistung C (in dBW) als auch die spektrale Leistungsdichte Co (in dBW/Hz) verwendet. F¨ur die St¨orpegelbestimmung nimmt man den Wert von Co im Zentrum des Spektrums, wo sie um den Faktor F h¨oher ist, als der u¨ ber die Bandbreite b gemittelte Wert. Es gilt

54

3 Frequenzen und ihre Koordinierung

Co = C − 10 log(b) − F , wobei der Faktor F f u¨ r Frequenzmodulation z.B. 8,5 dB sein kann. F¨ur PSK ist F kleiner, da der digital modulierte Tr¨ager u¨ ber den gr¨osseren Teil der Bandbreite B eine Leistungsdichte nahe der H¨ochstleistung aufweist. F¨ur Tr¨ager/Rauschverh¨altnisse C-N < 17,8 dB erlaubt die Forderung £t/t < 6% h¨ohere St¨orleistungspegel (eine erweiterte Koexistenz unter St¨orbedingung) als die ¨ C-I > 30-dB-Pauschalmethode, ohne dabei die gest¨orte Ubertragung unzumutbar zu beeintr¨achtigen. F¨ur die Forderung C-N > 17,8 dB w¨urde £t/t < 6% niedrigere St¨orleistungsverh¨altnisse als die C-I > 30 dB-Methode verlangen. Solche C-N -Werte kommen aber kaum vor. ¨  Die t/t Methode adaptiert besser an das C-N der gest¨orten Ubertragung als die Pauschalforderung C-I > 30 dB aus der analogen Welt. 3.2.5 Die Berechnung Die Tr¨agerleistung-zu-St¨orpegelverh¨altnisse C-I (in dB) werden wie folgt bestimmt: C-I u = Pei + Geti + Grsi − Lui − [Pej + Getj (ji ) + Gsri (ji ) − Luj ] in dB (3.3a) C-I d = Psi + Gsti + Gesi − Ldi − [Psj + Gstj (ji ) + Geri (ji ) − Ldj ] in dB (3.3b) wobei P = Sendeleistung in dBW G = Antennengewinn = 32 − 25 log(), in dB,  in Grad L = Freiraumd¨ampfung in dB, und die Subscripte sind e = Erdfunkstelle s = Satellit u = Uplink d = Downlink r = Empfang i = gest¨ortes System t = Senden j = St¨orer Die Summen-Tr¨agerleistung-zu-St¨orpegelverh¨altnisse C-I (in dB) ist c 1 = iup idown itotal + c c

(3.4)

und C-I = 10 log(c/i) in dB. Bei vergleichbaren Strecken ist Lui = Luj und bei vergleichbaren Sendeleistungen Pei = Pej , so dass, mit z.B. 3◦ Winkelseparierung G = 32 − 25 log() = 20,1 dB und nicht diskriminierender Satellitenantenne (sie empf¨angt den St¨orer mit dem gleichen Gewinn G wie das Opfer): C-I u = Geti + Grsi − Getj (Ÿji ) − Gsri (Ÿji ) = 40,0 + 33,5 − 20,1 − 33,5 = 19,9 dB Bei vergleichbaren Auf- und Abw¨artsstrecken (ceteris paribus) ist C-I d = 19,9 dB und C-I total = 16,9 dB. Mit je einem Nachbarn zur Rechten und zur Linken, mit vergleichbaren Leistungspegeln, ist die Summe in diesem Fall C-I total = 13,9 dB.

3.2 Elektromagnetische Vertr¨aglichkeit; St¨orpegelberechnung

55

Es k¨onnte noch schlechter ausfallen: Mit einem St¨orpegel von 6% des eigenen thermischen Rauschens wird das C-I = 12,2 dB pro Strecke und St¨orer, also 9,2 dB Uplink und Downlink zusammen, und 10 log(n) dB weniger, wenn n St¨orer gleichzeitig arbeiten. 3.2.6 First Come, First Served Anmeldungen werden gem¨ass den Radio Regulations Artikel 11 und 13 nach dem Prinzip First Come, First Served gehandhabt. Neue Systeme (Dienste) d¨urfen existierende, gleichrangige nicht st¨oren. Eine zugewiesene Position wird dem Betreiber – wenn er sie nutzt – nicht wieder weggenommen. In F¨allen, in denen das Verschieben einer (genutzten) Position zu Vorteilen f u¨ r beide f u¨ hrt, sprechen die Beteiligten miteinander. Beispiele hierf u¨ r sind die Verschiebung des ASTRA von 19,0◦O auf 19,2◦O, um St¨orung mit EUTELSAT zu mitigieren. 3.2.7 Sekundarzuweisungen Sekund¨arzuweisungen auf der Basis „. . . shall not cause harmfull interference to nor shall claim protection from harmful interference from. . .“ (verursacht weder wesentliche St¨orung noch verlangt Schutz vor wesentlicher St¨orung) werden gegen¨uber Prim¨arzuweisungen h¨aufig angesetzt. 3.2.8 Die Leistungsussdichte auf der Erde Die von einem Satelliten produzierte Leistungsflussdichte auf der Erde wird von der ITU so geregelt, dass Satelliten- und terrestrische Systeme koexistieren k¨onnen. Ein Beispiel ist der Richtfunk im 11 GHz-Band, das auch als Satellitenabw¨artsstrecke genutzt wird; hierzu sind z.B. von 8,025 GHz bis 11,7 GHz den Satelliten folgende Grenzwerte gesetzt: – 126 dBW/m2 pro MHz f u¨ r Einfallswinkel " zwischen 0◦ und 5◦ , – 126 dBW/m2 + 0,5(" − 5◦ ) pro MHz f u¨ r Einfallswinkel " zwischen 5◦ und 25◦ , – 116 dBW/m2 pro MHz f u¨ r Einfallswinkel " zwischen 25◦ und 90◦ . Im Frequenzbereich u¨ ber 11,7 GHz sind 11 dB h¨ohere Leistungsflussdichten erlaubt. Die Bestimmung der Leistungsflussdichte ist wie folgt: Pab (dBW in 1 MHz) = EIRP − BW + 60 dBHz (oder auch Pab (dBW in 4 kHz) = EIRP − BW + 36 dBHz), wobei Pab die vom Satelliten abgestrahlte Leistungsdichte in dBW pro MHz (oder 4 kHz), die BW = 10 log[Transponderbandbreite in Hz] in dBHz. Ist EIRPmax z.B.47,3 dBW in 54 MHz (⇒ 77,3 dBHz) u¨ ber einen Abstrahlbereich von Strahlmitte bis zum Strahlrand, dann wird die maximale Satellitenleistungsdichte

56

3 Frequenzen und ihre Koordinierung

Pab (dBW in 1 Hz) = 47,3 dBW − 77,3 dBHz = −30 dBW/Hz. Von dieser abgestrahlten Leistungsdichte eines z.B.geostation¨aren Satelliten kommt man zur Leistungsflussdichte am Boden,indem man die spezifische Funkfeldd¨ampfung „4d 2“ subtrahiert (d = Entfernung Satellit/Boden) und den Wert z.B. auf 4 kHz bezieht (wobei 10 log[4d 2 ] = 162,1 dB/m2 f u¨ r " = 90◦ ): Pan = −30 dBW/Hz + 36 dBHz − 162,1 in dBW/m2 in 4 kHz = −156,1 dBW/m2 in 4 kHz oder < −140 dBW/m2 in 4 kHz f u¨ r " = 90◦ (16,1 dB). Senkt man den Einfallswinkel " auf 0◦ ab, dann vergr¨ossert sich die spezifische Funkfeldd¨ampfung um 1,5 dB, so dass Pan = −30 dBW/Hz + 36 dBHz − 163,6 in dBW/m2 in 4 kHz = −157,6 dBW/m2 in 4 kHz oder < −150 dBW/m2 in 4 kHz f u¨ r " = 0◦ (7,6 dB). Der Grenzwert f u¨ r " = 90◦ wird leichter eingehalten (16,1 dB Reserve), als der Wert f u¨ r " = 0◦ (nur 7,6 dB Reserve). Dies r¨uhrt daher, dass in der spezifischen Funkfeldd¨ampfung „4d 2“ die zus¨atzliche D¨ampfung AA (s. Ausbreitung) der Atmosph¨are nicht ber¨ucksichtigt wurde. Addiert man zu der spezifischen Funkfeldd¨ampfung entsprechende Werte fu¨ r AA im 10 GHz-Bereich, dann wird die Reserve f u¨ r " = 0◦ ebenfalls ca. 16 dB. 3.2.9 Elektrosmog ¨ Ahnlich der Verschmutzung der Umwelt und Gef¨ahrdung des Menschen durch chemische Schadstoffe, kann elektromagnetische Strahlung schaden. Die pathologischen Auswirkungen auf den menschlichen Organismus sind im Langzeitverhalten noch nicht hinreichend quantitativ bekannt. Es ist qualitativ belegt, dass bei hohen Feldst¨arken zumindest tempor¨are Ver¨anderungen (im Auge und Gehirn) ausgel¨ost werden k¨onnen. Ein wichtiger Unterschied zwischen dem terrestrischen und dem Satellitenmobilfunk ist die Leistungsflussdichte der Strahlung. Um im Mobilfunk (800 MHz) einen Signalpegel WGSM in 30 km Entfernung vom Sendeturm zu erzielen, strahlt dieser typischerweise 100 W ab (s.Abb.3.6).Ein Fernsehsender strahlt bis zu 100 kW ab – also in 1000 km Entfernung immer noch so viel wie der Mobilfunksendeturm in 30 km Entfernung. Dagegen demonstriert man nicht. Ein z.B. 30 m vom Mobilfunksendeturm entfernter Mensch ist Werten wie der Streustrahlung aus der 220 V-Steckdose oder der Leckstrahlung mancher Mikrowellen¨ofen ausgesetzt – kein Grund,dramatische pathologische Sch¨aden zu bef u¨ rchten. Die Satellitenausstrahlung ist dagegen homogen im gesamten Ausleuchtgebiet verteilt (der Abfall von der Strahlmitte zum Rand betr¨agt max. 3 dB, nicht 60 dB wie im Zellularfunk). Terrestrische Handys senden mit 0,2 bis 2 W Satellitensysteme mit 0,2 bis 0,4 W.

3.3 Dienstekategorien und Frequenzzuweisungen

57

Der Unterschied r¨uhrt daher, dass terrestrische Ausbreitung Geb¨aude durchdringen k¨onnen soll (was 30 bis 50 dB h¨ohere Leistung erfordert), w¨ahrend Satelliten mit Sichtverbindung arbeiten und nur in Aussenr¨aume von Geb¨auden eindringen (was nur 10 bis 20 dB h¨ohere Leistung erfordert). Pathologische Folgen bei 20 W sind nachgewiesen. Die elektrische Feldst¨arke von 0,2 W ist vergleichsweise wirkungslos. Ein Verkehrsradar mit 100 W Sendeleistung am Strassenrand erzeugt mehr Strahlung als GSM (und mehr als ein Satellit aus 35 790 km Flugh¨ohe), und ein B¨urger ist sehr viel n¨aher zum Radar, als zur Turmspitze eines Sendemastes oder zu einem Satelliten.

Abb. 3.6 Sendeleistungen von terrestrischen und Satellitensystemen im Mobilfunk

3.3 Dienstekategorien und Frequenzzuweisungen Die Satellitendienste sind in ortsfeste (Fixed Satellite Services; FSS), mobile (Mobile Satellite Services; MSS) und Rundfunkdienste (Broadcast; BSS) eingeteilt. Die Kategorisierung in Fernmeldedienste/Rundfunkdienste einerseits und ortsfeste/mobile Anwendungen andererseits, mit fest zugeordneten Frequenzb¨andern schwindet mehr und mehr. Schon heute betreibt SES/ASTRA Fernsehverteildienste (BSS) in FSS-B¨andern, und maritime INMARSAT Mobilfunkdienste werden fu¨ r ortsfeste Nutzer betrieben. PCS (MSS) wird ebenfalls in nennenswertem Umfang ortsfest eingesetzt. Der von der ITU verwaltete Frequenzbereich von 7 kHz bis 1000 GHz ist in terrestrische und Satellitendienste unterteilt. Zur Entschl¨usselung der BuchstabenB¨ander sind in Tabellen 3.2 und 3.3 die wichtigsten Frequenzb¨ander in der kommerziellen und milit¨arischen Kommunikation aufgezeigt, und es sind beispielhafte Nutzungen genannt. Tabelle 3.4 zeigt die Frequenzzuweisungen fu¨ r ortsfeste und Tabelle 3.5 f u¨ r mobile Satellitenfunkdienste. Abbildung 3.7 zeigt die zugewiesenen Bandbreiten gegen Hochfrequenz. Das Bild veranschaulicht die mit zunehmender Hochfrequenz gr¨osseren Bandbreiten: Den 2,5 GHz Bandbreite im C-Band entsprechen 22,5 GHz im W-Band.

58

3 Frequenzen und ihre Koordinierung 85.0 Verfügbare Bandbreite in dieser Frequenzlage, 20.0 in GHz

W V 22.5

Q

15.0

Ka 8.4

10.0 5.0

Ku 3.6

C

S

L

VHF UHF 0.12 0.39 0.003 0.004

13.5

2.5

0.0 0.1

0.3

1

2

3

10

20

30

50

60

100

200 GHz

Abb. 3.7 Die der Satellitenkommunikation zugeteilten Bandbreiten gegen Hochfrequenz (in GHz) Tabelle 3.2 Die Typischen Frequenzb¨ander der kommerziellen Kommunikation und einige Nutzer P-Band L-Band S-Band C-Band Ku-Band Ka-Band Q-Band V-Band W-Band

0,2 . . . 0,4 GHz 0,4 . . . 1,6 GHz 1,6 . . . 3,6 GHz 3,6 . . . 6,6 GHz 10 . . . 20 GHz 20 . . . 36 GHz 36 . . . 46 GHz 46 . . . 56 GHz 56 . . . 100 GHz

Little LEOs INMARSAT3 , GlobalStar4 ↑, GPS4 , Glonass5 ICO2 , GlobalStar6 ↓ INTELSAT-C4 , InterSputnik4 , BrasilSat-C4 INTELSAT-Ku4 , EUTELSAT4 , ASTRA3 Italsat4 , Teledesic4 , KaStar4 , SpaceWay4 , Millenium4 M-Star4 , ARTSAT4 DenAli4 PenTriad4

Tabelle 3.3 Die Frequenzb¨ander der milit¨arischen Fernmeldetechnik und typ. Nutzungen ELF VLF LF

< 3 kHz 3–30 kHz 30–300 kHz

MF HF VHF UHF SHF (incl. X-Band) EHF (incl. Ka-Band) PHF

0,3–3 MHz 3–30 MHz 30 MHz–300 MHz 300 MHz–3 GHz 3–30 GHz 30–300 GHz 0,3–3 THz

Kommunikation mit U-Booten Weitbereichskommunikation Funkortungssysteme2 Omega (10 kHz), LORAN (100 kHz) LORAN2 VOR2 Flugfunk (UKW Rundfunk terrestrisch) MariSat1 , Fleetsatcom1, GOMS1 DSCS1 , NATO-Satcom1,4 , SkyNet1,4 , TOR1 Syracuse1 , SICRAL1 , MilStar1,2 , EuMilSat1,2 Decimillimetric Applications

Zur Erl¨auterung der Abk¨urzungen der Dienste sind sie in Tabelle 3.4 aufgezeigt.

3 4 5 6

Mobilkommunikation: Mobile Satellite Services (MSS, das Handy) Ortung: Radio Navigation Satellite Service (RNSS, der GPS Empf¨anger) Digitaler Rundfunk (DAB, Digital Audio Broadcast, der WorldSpace Empf¨anger) Ortsfeste Kommunikation (FSS, Fixed Satellite Service; der Telefonapparat)

3.4 Die Koordinierung von Satelliten und Erdfunkstellen

59

Tabelle 3.4 Liste der ITU Dienstekategorien FS FSS MS MSS BS BSS EESS RA SFS SRS SOS

Fixed (terrestrial) Service (terrestrischer Richtfunk) Fixed Satellite Service (ortsfester Satellitenfunk) Mobile (terrestrial) Service (terrestrischer Mobilfunk) Mobile Satellite Service (mobiler Satellitenfunk) Broadcast (terrestrial) Service (terrestrischer Fundfunk und Fernsehen) Broadcast Satellite Service (Satellitenrundfunk und -fernsehen) Earth Exploration Satellite Service (Satelliten-Erderkundung, z.B. METEOSAT) Radio Astronomy (Radioastronomie) Standard Frequency and Time (Satellite) Service (Satelliten-Zeitnormal) Space Research Service (Raumfahrtforschung; Shuttle, ISS, etc.) Space Operations Service (Satellitenbetriebsfunk mit TT&C)

Tabelle 3.5 Frequenzb¨ander f¨ur ortsfesten zivilen Satellitenfunk (FSS) & Satellitenrundfunk (BSS) Band [GHz] 1,452–1,492 BSS↓ 4,500–4,800 FSS↓ 10,70–12,75 FSS, BSS↓ 15,43–15,63 FSS↑↓ 18,40–20,20 FSS↓ 37,50–40,50 FSS↓ 47,20–50,20 FSS↑ 81,00–86,00 FSS↓ 167,0–174,5 FSS↑ 265,0–275,0 FSS↓

Band [GHz] 2,520–2,655 BSS↓ 5,150–5,250 FSS↑ 12,75–13,25 FSS↑↓ 17,30–17,70 FSS↑ 21,40–22,00 BSS↓ 40,50–42,50 FSS, BSS↓ 50,40–51,40 FSS↑ 123,0–130,0 FSS↑ 209,0–226,0 FSS↓

Band [GHz] 3,400–4,200 FSS↓ 5,725–7,075 FSS↑ 13,75–14,80 FSS↑ 17,70–18,40 FSS↑↓ 27,50–30,00 FSS↑ 42,50–43,50 FSS↑ 71,00–76,00 FSS↓ 158,5–164,0 FSS↑ 232,0–240,0 FSS↑

Tabelle 3.6 Frequenzb¨ander f¨ur mobilen zivilen Satellitenfunk (MSS) Band [GHz] 0,1180–0,1370 AMSS7 0,3120–0,3150 MSS↑ 0,4060–0,4061 MSS↑ 1,9800–2,0100 MSS↑ 2,6700–2,6900 MSS↑ 39,500–40,500 MSS↓ 134,00–142,00 MSS

Band [GHz] 0,1370–0,1380 MSS8 ↓ 0,3870–0,3900 MSS↓ 1,5250–1,5590 MMSS↓ 2,1700–2,2000 MSS↓ 19,700–20,200 MSS↓ 50,400–51,400 MSS↑ 190,00–200,00 MSS

Band [GHz] 0,1480–0,1500 MSS↑ 0,4000–0,4010 MSS↓ 1,6100–1,6605 MMSS↑ 2,4835–2,5200 MSS↓ 29,500–30,000 MSS↑ 66,000–74,000 MSS↑ 252,00–265,00 MSS

3.4 Die Koordinierung von Satelliten und Erdfunkstellen Die Koordinierung von Satelliten und Erdfunkstellen, Richtfunk und Radar etc. geschieht in drei Schritten: das Aufgebot (Advance Publication), die Koordinierung (Coordination) und die Zulassung (Notification). Die ITU Bearbeitungsgeb¨uhr ist 7 8

AMSS = nur aeronautischer MSS MMSS = nur maritimer MSS

60

3 Frequenzen und ihre Koordinierung

abh¨angig von der Komplexit¨at der Anmeldung und kann 300 000 SFR betragen. Die BNetzA erhebt den Festpreis von ca. 25 000 € 9 , wobei eine Anmeldung einen einzigen Geo-Satelliten oder eine Konstellation (von z.B. 840 LEOs) umfassen kann. 3.4.1 Advance Publication Der erste Schritt der Anmeldung einer Funkanlage ist das Aufgebot (Advance Publication Information; API) des Betreibers, in der er den Dienst, das Frequenzspektrum, die gew¨unschte Orbitalposition und die beabsichtigte Ausleuchtung am Boden angiebt. Diese nach Radio Regulations §11A (RR11A) geregelte Anmeldung wird im ITU zweiw¨ochentlichen Zirkular (Weekly Circular) ver¨offentlicht. Ab dieser Ver¨offentlichung haben Betreiber, die f u¨ rchten, von dem neuen Dienst gest¨ort zu werden, vier Monate Zeit, Einspruch zu erheben. 3.4.2 Request for Coordination; Trigger Angle Nach der Advance Publication, f u¨ hestens aber 6 Monate nach Einreichung der API, beginnt die Koordinierungsphase (Request for Coordination).Die ITU leitet die eingegangenen Einspr¨uche (¨uber die BNetzA) an den Neuzugang zur Beantwortung weiter und dieser meldet der ITU gem¨ass „Appendix 4“ exakte Orbitposition, Frequenzband, Sendeleistung, Modulation, Bandbreite etc. Die Koordinierungspflicht ist bei Erdfunkstellen f u¨ r Opfer und St¨orer innerhalb der Trigger Distance (Coordination Distance) beschr¨ankt, die sich aus Sendeleistung und Gel¨andeschutz ergibt (z.B. 200 km rund um den Anmelder). Bei Geo-Satelliten gibt es den Winkelabstand Trigger Angle (Coordination Angle),innerhalb dessen FSS koordiniert werden muss: Frequenzband 4–8 GHz, 8–15 GHz, > 15 GHz,

Trigger Angle 10◦ 5◦ 3◦

Der Neuzugang kann die Einspr¨uche mit den Betroffenen direkt oder auch u¨ ber die BNetzA regeln. Oft k¨onnen Einspr¨uche im gegenseitigen Einvernehmen geregelt werden, indem der Neue seine Leistung reduziert oder die Position a¨ ndert. Verfahren f u¨ r die St¨orpegelberechnung sind in den Radio Regulations §11C (RR11C; Appendix 29) vorgegeben. 3.4.3 Notiˇcation Wenn die eingegangenen Einspr¨uche zur¨uckgezogen sind, kann der Neuzugang der ITU die Notification (nach Eingang der RR13) anzeigen und die Zulassung 9

Frequenzgeb¨uhrenverordnung (FGebV) auf Grund des §48 Abs.1 Satz 2 des TKG v. 24.07.96 etc.

3.4 Die Koordinierung von Satelliten und Erdfunkstellen

61

beantragen. Dies ist 6 Monate nach API Published Date fu¨ r NGSO Systeme (ohne Coordination) m¨oglich bzw. Coordination ist m¨oglich, 6 Monate nach API Received Date f u¨ r GEO Systeme. Die ITU wird die Notification pr¨ufen; hat die Beh¨orde keine weiteren Einw¨ande, wird sie best¨atigt und damit rechtsg¨ultig; das System geniesst nun den Schutz der ITU gegen andere Neuzug¨ange. 3.4.4 Vorrechte Terrestrische Systeme, GEO und NGSO Terrestrische Systeme haben Vorrecht gegen GEO-Anmeldungen, und diese haben prinzipiell Vorrechte gegen NGSO (wird so in vielen Frequenzb¨andern, z.B. RNSS, DAB, SkyBridge etc. gehandhabt), selbst wenn letztere zeitlich vorrangig zur Anmeldung eingereicht wurden.  3.4.5 Anderungen Systemparameter k¨onnen nach erfolgter Anmeldung, unter Erhalt der Anmeldung, ge¨andert werden, wenn sich dadurch das St¨orpotential nicht vergr¨ossert. Raumbedeckung, EIRP und Orbitpositionsverschiebungen k¨onnen per RR11C – also ohne die RR11A-Anmeldung – in die Koordinierung (ohne Neuanmeldung) eingebracht werden. ¨ Eine Anderung ist umso einfacher, je mehr sie die urspr¨ungliche Koordinierungspflicht entlastet und umso schwieriger, je mehr sie zus¨atzlich Koordinierung verursacht. ¨ Anderungen der Frequenzb¨ander m¨ussen u¨ ber ein RR11A bzw. das Prozedere f u¨ r Not in the Plan laufen, wenn ihre Nutzung der regul¨aren Planung widerspricht (wie z.B. DBS-Nutzung im FSS Band etc.). 3.4.6 Multi-Lateral Meeting Neben dem ordnungsgem¨assen Prozess der Koordinierung u¨ ber die ITU haben sich Ende der 90er Jahre Konferenzen direkt zwischen den betroffenen Betreibern ausserhalb der ITU (Multi-Lateral Meeting, MLM) entwickelt. Ein solches MLM findet turnusgem¨ass zwischen INMARSAT und anderen, die in das von ihr genutzte L-Band m¨ochten (Thuraya, ACeS, Kitcomm etc.) statt. 3.4.7 Pre-Determined Arc FSS-Anmeldungen bei der ITU k¨onnen u¨ ber das Pre-Determined Arc-Verfahren per FSS-9588 laufen: Der Antragsteller bewirbt sich nicht f u¨ r eine konkrete Orbitposition, sondern nennt den Bereich (arc), innerhalb dessen eine Position f u¨ r ihn akzeptabel ist. Die ITU wird dann nach Pr¨ufung der St¨orung bereits vorhandener Zuweisungen eine geeignete Position suchen und empfehlen.

62

3 Frequenzen und ihre Koordinierung

3.4.8 Partagieren Die immer st¨arker werdende Nutzung der Frequenzen macht das Teilen (Partagieren) durch mehrere Nutzer notwendig. Hierzu werden in der ITU m¨ogliche Frequency Sharing Techniques erarbeitet. 3.4.9 Partagieren im Raum Man kann an verschiedenen Orten die gleiche Frequenz wieder verwenden (Frequency Re-Use), wenn diese hinreichend separiert sind. So wird im terrestrischen Zellularfunk die Frequenz in der jeweils u¨ bern¨achsten Zelle wieder verwendet. Dieses Prinzip wird inzwischen auch im Satellitenfunk verwendet. Es birgt das gr¨osste Potential, das nutzbare Spektrum zu vergr¨ossern: Mit immer kleineren Zellen w¨achst die Wiederverwendung. Der im Jahr 2000 gestartete Thuraya (GEO) macht so mit 200 Zellen aus 4 MHz realem Spektrum etwa 240 MHz nutzbare Bandbreite. 3.4.10 Partagieren in der Frequenz Nutzer k¨onnen sich am gleichen Ort und in der gleichen Polarisation ein Frequenzband teilen, indem sie ihre Tr¨agerfrequenzen gegeneinander versetzen, so dass die gegenseitige Beeinflussung unterhalb der 6%-Grenze liegt (siehe„FDMA“ in Kap.6). 3.4.11 Partagieren in der Zeit ¨ Die Nutzer teilen sich ein Frequenzband, indem sie ihre Ubertragungen zeitlich staffeln. Dies wird dann schwierig, wenn einer die Zeitachse nahe 100% der Zeit nutzt, und es birgt Potential u¨ berall dort, wo von der Natur des Dienstes her das Frequenzband nicht 100% der Zeit genutzt wird (siehe „TDMA“ in Kap. 6). 3.4.12 Partagieren in der Polarisation Man kann auf der gleichen Frequenz,am gleichen Ort und gleichzeitig in den orthogonalen Polarisationen partagieren; der eine arbeitet in der vertikalen, der andere in der horizontalen (oder rechtszirkularen und linkszirkularen) Polarisation. 3.4.13 Partagieren im Code Mehrere Nutzer k¨onnen am gleichen Ort, auf derselben Frequenz und mit der glei¨ chen Polarisation arbeiten, indem sie ihre Ubertragung (mit Bandspreizverfahren) so codieren, dass sie sie der laufenden Informations¨ubertragung u¨ berlagern, ohne sie mehr als zul¨assig zu st¨oren, w¨ahrend sie selbst durch den Codegewinn (Bandspreizgewinn) die „St¨orung“ der anderen Nutzer unbeschadet hinnehmen k¨onnen (trotz eines t/t von 100% zum Nachbarn bzw. von 1000% zu zehn Nachbarn; siehe „CDMA“ in Kap. 6).

3.4 Die Koordinierung von Satelliten und Erdfunkstellen

63

3.4.14 Partagieren nach RR342/Versuchsfunk Man kann im Ausnahmefall gem¨ass §342 der Radio Regulations (RR342) ohne Koordinierung senden, wenn niemand gest¨ort wird und man bereit ist, abzuschalten, wenn sich jemand gest¨ort f u¨ hlt (without causing undue interference to or claim protection from . . . ). Dies ist keine Langzeitl¨osung, hilft aber in Sonderf¨allen. 3.4.15 Partagieren nach RR 5.150 - ISM Neben Radar und Amateurfunk sind auch z.B. Industrial, Scientific and Medical Applications (ISM) zugelassen, in sieben Bandzuweisungen von UHF bis Ka-Band:

1 2 3 4 5 6 7 8

Spektrum 13,553–13,567 MHz 26,957–27,283 MHz 40,660–40,700 MHz 433,05–434,79 MHz 902,00–928,00 MHz 2,4000–2,5000 GHz 5,7250–5,8750 GHz 24,000–24,250 GHz

Mittenfrequenz 13,560 MHz 27,120 MHz 40,680 MHz 433,92 MHz 915,00 MHz 2,4500 GHz 5,8000 GHz 24,125 GHz

Bandbreite 0,014 MHz 0,326 MHz 0,04 MHz 1,74 MHz 26 MHz 100 MHz 150 MHz 250 MHz

Hinweis

nur in Region 1 nur in Region 2

Diese B¨ander sind f u¨ r die Erprobung industrieller und medizinischer Erprobungen und Forschungszwecke gedacht, nicht f u¨ r den kommerziellen Betrieb. In RR 15.30 der Radio Regulations werden die Regulierungsbeh¨orden darauf hingewiesen, dass die Sendeleistungen minimal gehalten und Ausser-Band-Abstrahlungen vermieden werden sollen. Auf keinem Falle d¨urfen andere Dienste gest¨ort werden. 3.4.16 Licence Free Operation Der Betrieb von Bodenterminals ohne Anmeldung ist immer schon f u¨ r passive (Receive Only) Terminals zul¨assig gewesen. Anders w¨are die Proliferation von 100 Mio ASTRA-„Sch¨usseln“ (im Jahr 2002) nicht m¨oglich geworden. Zuk¨unftig werden auch interaktive Terminals (Receive/Transmit) ohne Funkkoordinierung zul¨assig, solange sie typengepr¨uft sind und angemeldet werden. In USA sind solche Terminals anmeldungsfrei, wenn ihr Durchmesser kleiner als 1 m ist und sie von einem Fachmann installiert wurden. In manchen europ¨aischen L¨andern sind sie frei, wenn sie kleiner als 1 m sind und unter 100 W Sendeleistung haben oder weniger als 2 Mbit/s senden. Im Band 14,00–14,25 GHz werden sie zuk¨unftig wohl frei sein, wenn sie weniger als 50 dBW abstrahlen. In manchen Regionen sind vielleicht die besorgten Stadtbildsch¨utzer und die fachlich meist unbedarften „Strahlungssch¨utzer“ das gr¨ossere Problem sind, nicht die Auflagen der Regulierer (s. auch Abb. 3.6).

64

3 Frequenzen und ihre Koordinierung

3.4.17 Verfallsdatum Der Eingang der Anmeldung (Advance Publication Information, API, nach Artikel 11A) ist ein Beginn der Zeitrechnung (das Advance publication date of RECeipt; AREC). Die ca. sechs Monate sp¨atere Ver¨offentlichung im Weekly Circular der ITU ist die zweite Zeitmarke (das IFIC Date10 ). Vier Monate lang, ab IFIC Date, k¨onnen andere Betreiber, die glauben, von dem neuen System gest¨ort zu werden, Einspruch erheben. Fr¨uhestens sechs Monate nach dem AREC kann der Anmelder das Koordinierungsgesuch nach Artikel 11C einreichen. Der Normalfall ist, eine zugeteilte Nutzungsgenehmigung nach erfolgter Anzeige (Notification) auch zu nutzen. Der fr¨uhest m¨ogliche Nutzungsbeginn ist zwei Jahre nach AREC. Wird das System nicht innerhalb von sieben Jahren nach AREC in Betrieb genommen, verf¨allt die Notification und der Anspruch auf die Orbitposition. Falls der Anmelder weiterhin an der Position interessiert ist, muss er das Prozedere neu durchlaufen und hat nun gegen inzwischen erfolgte Anmeldungen das Nachrecht. Es gilt f u¨ r GEOs und NGSOs in den FSS in gleicher Weise die in der Tabelle gezeigte Ablaufordnung. Es sind in der ITU viele Satelliten registriert, die nicht realisiert wurden und anderen den Platz versperren. Deshalb wird zur Zeit u¨ berlegt, die Notifizierungshaltbarkeit zu reduzieren, um Papiertiger los zu werden (the paper satellite conundrum). Wird eine Position besetzt und der Satellit betrieben, bis er eines Tages aus dem Dienst genommen wird, dann bleiben dem Betreiber maximal zwei Jahre, ihn zu ersetzen, sonst verliert er die Position. 1 treceipt 2 tIFIC

3 tIFIC + 4 months 4 treceipt + 6 months 5 treceipt + 24 months

6 treceipt + 84 months

Date of Receipt (Eingang des API) Weekly Circular (Ver¨offentlichung des API im Wochenzirkular der ITU, das IFIC-Date, Wochen nach treceipt ; Beginn der Einspruchsfrist Ende der Einspruchsfrist Fr¨uhest m¨oglicher Request for Coordination (RfC) nach Artikel 11C, Appendix 3, durch den Anmelder Fr¨uhest m¨oglicher Betrieb; sp¨atest m¨oglicher RfC durch den Anmelder; falls verfehlt, verf¨allt Anmeldung; fr¨uhest m¨ogliche Notifizierung durch den Anmelder Sp¨atest m¨oglicher Beginn des Wirkbetriebs des Satelliten; falls verfehlt, verf¨allt Anmeldung

3.5 Die Entsorgung von Satelliten Der Schrott im Weltall (Space Debris) ist das gr¨osste Problem der Satellitennutzung, besonders bei der hohen Zahl von Satelliten,die heute gestartet werden.Nach Missionsende hat man die Satelliten bisher einfach in ihrer Umlaufbahn belassen oder sie 10

IFIC = International Frequency Idendification Circular der ITU

3.6 Ionentriebwerke

65

mit Resttreibstoff geringf u¨ gig angehoben: Die GEOs kamen auf den „Schrottplatz“ in ca. 38 000 km Flugh¨ohe (im R¨ucken der GEOs) und die LEOs auf 1500 km H¨ohe (im Gesichtsfeld der GEOs und MEOs, deren Funkstrecken gelegentlich unterbrechend). Kollisionen im GEO und insbesondere im LEO sind wiederholt passiert. Auf der ISS und ihren F¨ahren sind Menschenleben bedroht. Mit der Proliferation der Einsch¨usse insbesondere von Konstellationen von Satelliten w¨achst das Problem exponentiell. Die LEOs schwirren den MEOs und GEOs vor dem Gesicht herum und dies mit ungleich h¨oheren St¨uckzahlen (z.B. > 100 bei IRIDIUM) als weltumspannende GEO Systeme (3 + 1 Reserve)). Weltweit gibt es derzeit zwar konstruktive Vorschl¨age, aber keine verbindlichen Vorschriften zum Thema M¨ullhalde Weltraum. Es ist nicht ersichtlich ob den Verantwortlichen bewusst ist, dass die R¨uckbringschuld, die wir unseren Kindern hinterlassen, um Gr¨ossenordnungen mehr Aufwand bedeutet, als es heute kosten w¨urde,endlich auch zu entsorgen.Zurzeit sind 9233 Schrottobjekte bei der ESA und dem Space Surveillance Network, USA, registriert. 2927 davon stammen von Satelliten, 6306 von Tr¨agerraketen. Satelliteneinsch¨usse bis in den GEO k¨onnen auch so durchgef u¨ hrt werden, dass keine Raketenteile im Orbit bleiben. Immerhin verlangt die US-Regulierungsbeh¨orde FCC im Rahmen von Orbital Debris Mitigation Practices Vorschl¨age von Anmeldern von Satellitensystemen (Report No. IN 99-12/IO Docket 99-81, 18.03.1999, insbesondere von LEO Systemen, obwohl die eher von selbst zur¨uckkommen als GEO Systeme, die nicht von selbst zur¨uckkommen und deren Debris den gr¨osseren volkswirtschaftlichen und betriebswirtschaftlichen Schaden verursachen). So waren IRIDIUM und GlobalStar die ersten Systeme, bei dem Entsorgung vorgesehen wurde. Die R¨uckbringung eines Satelliten in derselben Zeitdauer, in der er eingeschossen wurde, kostet dieselbe Energie wie der Einschuss selbst. Da Energie das Produkt von Leistung und Zeit ist, kann die R¨uckbringung jedoch auch mit beliebig kleiner Leistung in grosser Zeit erfolgen. Sie kann also mit vergleichsweise niedrigeren Kosten erfolgen. G¨angige Verfahren werden in den folgenden Abschnitten beschrieben.

3.6 Ionentriebwerke In den 30er Jahren des letzen Jahrhunderts erkannte Prof. Ernst Stuhlinger (im Wernher von Braun Team) den Bedarf von Ionentriebwerken f u¨ r die Raumfahrt und entwickelte die ersten brauchbaren Antriebssysteme. Heute haben Satelliten diese elektrischen Triebwerke. Diese ben¨otigen haupts¨achlich Strom. Ein Satellit wird ausgemustert, wenn er mehr als 25–50% seiner Nutzlast verloren hat. Ergo hat er noch 50–75% seiner elektrischen Leistung. Damit kann man Ionentriebwerke betreiben. Ionentriebwerke ben¨otigen 1/40 der Treibstoffmasse chemischer Triebwerke. Werden 1 t Treibstoff f u¨ r den (schnellen) Einschuss des Satelliten verbraucht, kann man ihn mit nur 25 kg (40 mal langsamer) zur¨uckbringen.Dabei k¨onnte der Trabant in eine Ellipse gebracht werden, deren Perig¨aum in die Restatmosph¨are gedr¨uckt

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3 Frequenzen und ihre Koordinierung

wird (unter 1000 km u¨ ber der Erde), mit der Zeit von ihr abgebremst wird und schliesslich in der Erdatmosph¨are vergl¨uht. Der f u¨ r ca. 2025 geplante Fug zum Mars ist zwingend auf elektrische Triebwerke angewiesen.Die elektrische Leistung wird durch einen Reaktor erzeugt.Raumfahrttaugliche Reaktoren sind seit langen kommerziell verf u¨ gbar.

3.7 Die Lorentz-Kraft In einer langen, vom Satelliten h¨angenden Drahtschleife induziert das Erdmagnetfeld einen Strom. Dadurch entsteht die zur Erde gerichtete, auf den Satelliten wirkende Lorentz-Kraft. Die NASA hat sich den Draht entwickeln lassen. Das System soll nur 10 bis 25 kg wiegen (< 3% der Satellitenmasse und weniger als der Treibstoff f u¨ r die Ionentriebwerke) und Schrottsatelliten in Wochen oder Monaten zur Erde zur¨uck bringen. Mit der Lorentz-Kraft kann auch ein Satellit aus dem GEO in ein paar Jahren treibstofflos zur Erde zur¨uckgebracht werden. W¨ahrend chemische und elektrische Triebwerke an die Treibstofftanks oder die Stromversorgung fliegender Satelliten nicht einfach nachtr¨aglich angeschlossen werden k¨onnen, kann ein Lorentz-Draht mit Hilfe von Robot-Satelliten auch an fliegenden Satelliten im Orbit leichter angebracht werden.

3.8 Orbitral Recovery Es gibt Firmen, die Satelliten auch im geostation¨aren Orbit zur Verl¨angerung der Lebensdauer betanken (Satellite Life Extension Sytem; SLES). Wenn man Satelliten dort betanken kann, kann man sie auch mit Treibstoff fu¨ r die R¨uckbringung in die Atmosph¨are betranken. Es ist nur eine Frage des International Space Law, diese R¨uckbringung vorzuschreiben.

3.9 Hybridverfahren Denkbar sind hier auch Hybridverfahren, die mehr als eine Technik anwenden, einschliesslich z.B. Solar Sailing, die Ausnutzung des Solardrucks auf ein Satellitenpaneel, der es in Richtung Erde dr¨uckt, unterst¨utzt u.a. durch Ionentriebwerke, der Lorentzkraft, und schliesslich das Eintauchen des Perig¨aums in die Restatmosph¨are etc.

3.10 Institutionen 3.10.1 Nationale Institutionen Die Bundesnetzagentur f u¨ r Elektrizit¨at, Gas, Telekommunikation, Post und Eisenbahnen (BNetzA; zuvor Regulierungsbeh¨orde fu¨ r Telekommunikation und Post,

3.10 Institutionen

67

RegTP) in Bonn (Mainz) nimmt die hoheitlichen Aufgaben der Frequenzverwaltung und des Lizenzwesens11 der Bundesrepublik Deutschland wahr, wie z.B. – – – – –

Verwaltung der Funkfrequenzen (auf der Basis CEPT und ITU), Standardisierung von Funkanlagen (auf der Basis ETSI), Erteilung von Genehmigungen fu¨ r den Betrieb von Funkanlagen, Erteilung von Lizenzen f u¨ r den Betrieb von Funkdiensten, ¨ Uberwachung der Nutzung von Funkfrequenzen und Beseitigung von Funkst¨orungen.

Die BNetzA ist eine dem Bundesministerium f u¨ r Wirtschaft und Technologie (BMWT) nachgeordnete Beh¨orde und arbeitet mit BMV, BMVg und anderen Ministerien und insbesondere der Industrie zusammen. Sie kooperiert mit Herstellern und Netzbetreibern mit maximal denkbarem Ausmass; mehr als 300 BNetzAAussenstellen dienen als Anlaufstellen f u¨ r die Nutzer. Das Pendant der Bundeswehr zur BNetzA ist das Amt fu¨ r Fernmelde- und Informationssysteme, das in der Vergangenheit die milit¨arischen Frequenzb¨ander verwaltet hat. Diese Aufgabe wird nun vom IT-Amt der Bundeswehr wahrgenommen. Das CeTeCom (ehem. Bundesamt f u¨ r Zulassungen in der Telekommunkation, BZT, Saarbr¨ucken, davor das Fernmeldetechnsiche Zentralamt (FTZ) der Deutschen Bundespost, Darmstadt), betreut die europaweiten Ger¨atezulassungen – ein ¨ f u¨ r Zulassungen von Funkanlagen. privatwirtschaftlicher „TUV“ 3.10.2 Regionale Institutionen CEPT, CITEL, RCC, APT, UPAT, AG Die deutsche BNetzA ist in die CEPT12 eingebunden, dem Verbund der 47 europ¨aischen Regulierungsbeh¨orden, die sich innerhalb Europas und mit den anderen Funkregionen weltweit abstimmen. Das European Communication Committee ECC (ehem. European Radiocommuncations Committee ERC) ist das Funkorgan der CEPT. Das ECC hat mit dem European Radiocommunications Office (ERO) in Kopenhagen ein st¨andiges Koordinierungs-B¨uro und eine Ansprechstelle f u¨ r alle Funkfragen in Europa und weltweit geschaffen.

11

In Frankreich ist die Agence Nationale des FR´equences (ANFR) f¨ur die Frequenzverwaltung und die ART (Autorit´e de R´egulations des T´el´ecommunications) f¨ur die Lizenzierung zust¨andig 12 Conf´erence Europ´eene des administrations des Postes et des T´el´ecommunications; 1959 in Montreux ggr¨undet; Mitgliedsstaaten sind Albanien, Andorra, Belgien, Bosnien & Herzegowina, Bulgarien, D¨anemark, Deutschland, England, Estland, Finnland, Frankreich, Griechenland, Irland, Island, Italien, Kroatien, Lettland, Liechtenstein, Litauen, Luxemburg, ¨ Mazedonien, Malta, Moldavien, Monaco, Niederlande, Norwegen, Osterreich, Polen, Portugal, Rum¨anien, Russland, San Marino, Schweden, Schweiz, Slowakei, Slowenien, Spanien, Tschechien, T¨urkei, Ukraine, Ungarn, Vatikan, Zypern

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3 Frequenzen und ihre Koordinierung

Insgesamt unterst¨utzen weltweit sechs Gruppierungen die Arbeit der ITU: 1 2 3 4 5 6

CEPT (Europa; 47 Staaten) CITEL (der amerikanische Kontinent) RCC13 (die ehemalige Sowjetunion) APT (Asia-Pacific) UPAT (Afrika) AG (Arabien, 23 Staaten).

In der CITEL14 sind die Regulierer Amerikas zusammengefasst. Die RCC stellt den Verbund der Russischen F¨oderation mit den Mitgliedstaaten der ehemaliegen Sowjetunion dar. Die Asia-Pacific Telecommunity (APT) vereint die Regulierer in Asia-Pacific, und die Union Pan-Africanaine des T´el´ecommunications (UPAT) die L¨ander dieser Region. Schliesslich steht die Arab Group (AG) f u¨ r die 23 arabisch sprechenden L¨ander. 3.10.3 ETSI Das Europ¨aische Telekommunikations-Standards Institut (ETSI; SophiaAntipolis, Cannes) definiert Standards und Zulassungsvorschriften von Kommunikationsger¨aten. ETSI hat ISDN, GSM, DECT, DAB u.a. festgesetzt, die inzwischen weltweite Anwendung finden (auch in USA). Mitglieder des ETSI sind u¨ berwiegend die europ¨aischen Regulierungsbeh¨orden, Diensteanbieter, Hersteller und Privatpersonen, aber auch aussereurop¨aische Mitglieder sind zugelassen. Die EU gibt ETSI R¨uckendeckung, indem sie den Mitgliedsstaaten zwingend vorschreiben kann, die ETSI Standards in jeweilige nationale Vorschriften umzusetzen. 3.10.4 WTO/GATS Jede Massnahme eines Staates zur Abschottung oder unverh¨altnism¨assigen Begrenzung des Marktzuganges f u¨ r Telekommunikationsbetreiber aus anderen Mitgliedsstaaten der World Trade Organization (WTO) ist ein Verstoss gegen das General Agreement on Tariffs and Standards (GATS-Abkommen). Diskriminierende, wettbewerbswidrige oder willk¨urliche Massnahmen bei der Frequenzverwaltung und der Vergabe von so genannten Landerechten (nationalen Betreiberlizenzen) wurden f u¨ r unzul¨assig erkl¨art (sind aber zuweilen noch anzutreffen). 13

Armenien, Aserbaidschan, Georgien, Kasachstan, Kirgistan, Moldavien, Russiche F¨oderation, Tatschikistan, Turkmenistan, Usbekistan, Ukraine, Weissrussland 14 CITEL, Conferencia Interamericana de TELecomunicaciones, Antigua and Barbuda, Argentina, Bahamas, Barbados, Belize, Bolivia, Brazil, Canada, Chile, Colombia, Costa Rica, Dominica, Dominican Republic, Ecuador, El Salvador, Grenada, Guatemala, Guyana, Haiti, Honduras, Jamaica, Mexico, Nicaragua, Panama, Paraguay, Peru, Saint Lucia, Saint Vincent and the Grenadines, St. Kitts and Nevis, Suriname, Trinidad and Tobago, United States, Uruguay, Venezuela (34 Staaten; oft l¨asst sich auch noch Micronesia von den USA vertreten)

3.11 Wie meldet man einen Satelliten an – Lizenzen

69

3.10.5 EICTA EICTA (European Information and Communications TechnologyIndustry Association,Sitz in Br¨ussel) ist ein europ¨aischerVerband der Industrie.Er fasst die Interessen der Informations- und Kommunikations- sowie die der Konsumg¨uter-Industrie zusammen und vertritt sie vorwiegend gegen¨uber der EU und anderer europ¨aischer Institutionen. Zurzeit hat sie ca. 70 Mitglieder, davon ca. 50 Grossfirmen und etwa 20 nationale Verb¨ande mit ihren Standorten in Europa.

3.11 Wie meldet man einen Satelliten an { Lizenzen 3.11.1 Systemplanung F¨ur die Anmeldung eines Satellitensystems u¨ berlegt man sich: (1) welchen Dienst man bedienen m¨ochte (Telefonie, Fernsehen, ortsfest, mobil etc.) (2) in welchem Frequenzbereich man arbeiten m¨ochte (L-, C-, Ku-, Ka-Band etc.) (3) wo die Kunden sind (geographisch) (4) von welchen Orbitbereichen aus diese Geographie erreicht werden kann (5) welche Position (an Hand der Liste existierender Satelliten) koordiniert werden kann. 3.11.2 Funkzulassung Nach der Planung des Systems erfolg die Anmeldung – u¨ ber die BNetzA – an die ITU (Advance Publication) und teilt Orbitposition,Frequenzband,Systemparameter etc. mit. Die Anmeldung wird im ITU-Weekly Circular abgedruckt und wer bef u¨ rchtet, von dem neuen Dienst gest¨ort zu werden, hat vier Monate Zeit, seinen Einspruch anzumelden. Nach der Ver¨offentlichung beginnt die Koordinierung (Request for Coordination). Der Anmelder muss die eingegangenen Einspr¨uche beantworten. Er kann sie mit den Betroffenen direkt regeln oder sich auch der Moderation der ITU bedienen. Verfahren f u¨ r die St¨orpegelberechnung sind in den Radio Regulations vorgegeben. Erst wenn s¨amtliche Einspr¨uche zur¨uckgezogen sind, kann der Neuzugang der ITU die Notification anzeigen. Findet die ITU sie richtig, dann ist sie rechtsg¨ultig. Das System geniesst nun den Schutz der ITU gegen alle zuk¨unftigen Neuzug¨ange. 3.11.3 Bodensegment Jede Bodenstation muss koordiniert werden. Das Prozedere ist a¨ hnlich dem f u¨ r Satelliten (nur receive only Terminals a` la ASTRA d¨urfen unkoordiniert betrieben werden; sie k¨onnen ja niemanden st¨oren). Die Terminals m¨ussen jedoch typengepr¨uft sein.

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3 Frequenzen und ihre Koordinierung

3.11.4 Betriebslizenzen ¨ Nach erfolgter Funkzulassung m¨ussen f u¨ r den Betrieb der Ubertragungswege (Satellit und Bodensegment) und das Anbieten von Kommunikationsdiensten Betriebslizenzen eingeholt werden. Diese sind typischerweise strukturiert in ¨ – die Lizenzklasse 1 f u¨ r den Betrieb von Ubertragungswegen fu¨ r Mobilfunksys¨ teme f u¨ r die Offentlichkeit ¨ – die Lizenzklasse 2 f u¨ r den Betrieb von Satellitenfunksystemen f u¨ r die Offentlichkeit ¨ ¨ – die Lizenzklasse 3 fu¨ r den Betrieb von Ubertragungswegen f u¨ r die Offentlichkeit durch den Lizenznehmer oder andere, fu¨ r deren Angebot nicht die Lizenzklassen 1 oder 2 bestimmt sind ¨ – die Lizenzklasse 4 fu¨ r das Anbieten von Diensten mit diesen Ubertragungswegen. Wer Rundfunk oder Fernsehen anmeldete, ben¨otigte noch eine Zulassung von der zust¨andigen Medienbeh¨orde bzw. -anstalt; in Deutschland in jedem einzelnen Bundesland von den 16 Landesmedienanstalten. Will man heute Telekommunikationsdienste in mehreren L¨andern Europas anbieten, kann man beim European Telecommunications Office (ETO) per One Stop Shopping (OSS) mit dem Combined Application Form (CAF) elektronisch Antrag stellen (www.eto.dk) und erh¨alt innerhalb von neun Wochen eine Antwort.

3.12 Die Pfandung eines Satelliten im Orbit Wenn der Betreiber eines Satelliten seinen finanziellen Verpflichtungen nicht nachkommt und es zur Pf¨andung des Satelliten kommt, sind verschiedene Arten der Beschlagnahmung m¨oglich: Fall 1 Die Pf¨andung des Satelliten,wobei der Schuldner die Pf¨andung des Satelliten im Orbit akzeptiert (kooperierender Schuldner), und die Betriebskontrolle des Satelliten im Orbit an den Gl¨aubiger ordnungsgem¨ass u¨ bertr¨agt, oder auch im Auftrag des Gl¨aubigers weiter durchf u¨ hrt. ¨ Fall 2 Die Pf¨andung des Satelliten, wobei der Schuldner die Pf¨andung und Ubergabe des Satelliten an den Gl¨aubiger behindert (behindernder Schuldner); die Betriebskontrolle des Satelliten kann vom Gl¨aubiger nicht ordnungsgem¨ass u¨ bernommen werden. Fall 3 Die Pf¨andung des Satelliten, der von einem schuldnerexternen Betreiber (Third Party) kontrolliert wird; der schuldnerexterne Betreiber u¨ bergibt die Kontrolle des Satelliten an den Gl¨aubiger (kooperierender Betreiber) oder betreibt ihn f u¨ r den Gl¨aubiger weiterhin. Fall 4 Die Pf¨andung des Satelliten, dessen Kontrolle von einem schuldnerexternen Betreiber (Third Party) betrieben wird; der Schuldner erwirkt die Verweige¨ rung der Ubergabe der Satellitenkontrolle an den Gl¨aubiger (behindernder Betreiber). Wie funktioniert die Betriebskontrolle eines Satelliten im Orbit:

3.12 Die Pf¨andung eines Satelliten im Orbit

71

3.12.1 Der nominelle Satellitenbetrieb Die Kontrolle eines Satelliten im Orbit erfolgt durch ein geeignetes Satellitenkontrollzentrum,das vom Besitzer des Satelliten betrieben werden kann oder auch eine externe Gesellschaft sein kann, die im Auftrag des Satellitenbetreibers arbeitet. Dieses Satellitenkontrollzentrum u¨ berwacht sowohl die Satellitenplattform wie auch die Kommunikationsnutzlast. Hierzu werden laufend u¨ ber das „Satellite Telemetry Link“ Zustandsdaten vom Satelliten zur Erde gesendet und vom Satellitenkontrollzentrum ausgewertet.Wenn als Ergebnis dieser Auswertung Eingriffe in den Satelliten (die Satellitenplattform oder die Kommunikationsnutzlast) n¨otig sind, werden kryptografisch gesch¨utzte Kommandos u¨ ber das „Satellite Telecommand Link“ von der Erde zum Satelliten gesendet. Der kryptografische Schutz verhindert den satellitenseitigen Empfang und damit die Umsetzung unautorisierter Telekommandos. Die Pf¨andung und Beschlagnahmung eines Satelliten k¨onnen durch diesen kryptografischen Schutz des Telekommandos eingeschr¨ankt oder, wenn der Gl¨aubiger nicht u¨ ber den kryptografischen Schl¨ussel verf u¨ gt und der Schuldner diesen nicht preisgibt, unm¨oglich gemacht werden. Es gibt die folgenden Arten der Implementierung des Satellitentelekommandos: (1) In der ersten Art wird ein einziger kryptografischer Schl¨ussel f u¨ r das Telekommando des Satelliten verwendet. Wenn der Schuldner diesen Schl¨ussel dem Gl¨aubiger nicht u¨ bergibt, kann der Gl¨aubiger die Kontrolle des Satelliten nicht u¨ bernehmen. Es ist sogar m¨oglich, dass der Schuldner den Satelliten an jemand anders verkauft und u¨ bergibt, ohne dass der Gl¨aubiger dies technisch verhindern k¨onnte. (2) In der zweiten Art werden zwei Schl¨ussel („Two Key System“) verwendet, um den Satelliten u¨ ber das Telekommando zu kontrollieren. Beide Schl¨ussel sind unabdingbar n¨otig, um eine Telekommandogabe zum Satelliten durchzuf u¨ hren. Der Gl¨aubiger kennt beide Schl¨ussel, der Schuldner nur einen der beiden. Der Schuldner ben¨otigt die Kooperation des Gl¨aubigers (den zweiten Schl¨ussel) um den Satelliten zu kontrollieren. Dies ist technisch m¨oglich, ohne dass der Gl¨aubiger den Schl¨ussel an den Schuldner preisgibt. Auf diese Weise kann der Gl¨aubiger verhindern, dass der Schuldner (2.1) den Satelliten wertmindernd besch¨adigt, (2.2) den Satelliten im Orbit repositioniert, oder (2.3) ohne die Einwilligung des Gl¨aubigers den Satelliten anderweitig verkauft, Die operationelle Handhabung der Schl¨ussel kann durch einen Dritten („Trusted Operator“ bzw. „Trust Center“) im Auftrag des Gl¨aubigers verwaltet und durchgef u¨ hrt werden; das Trust Center stellt sicher, dass der Schl¨ussel des Gl¨aubigers dem Schuldner nicht preisgegeben wird.

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3 Frequenzen und ihre Koordinierung

3.12.2 Zusammenfassung Pfandung Die Pf¨andung eines Satelliten kann auch im Orbit durchgef u¨ hrt werden. Es gibt M¨oglichkeiten der Beschlagnahmung eines Satelliten im Orbit auch ohne die Kooperation des Schuldners. Die eine M¨oglichkeit ist eine technische Massnahme. Sie basiert auf dem Konzept zweier Schl¨ussel f u¨ r das Satellitenkommando. Ein Schl¨ussel wird vom Schuldner ben¨utzt, beide Schl¨ussel sind im Besitz des Gl¨aubigers. Auf diese Weise kann der Gl¨aubiger sicher sein, dass der Schuldner den Satelliten nicht wertmindernd besch¨adigt oder an einen Dritten ver¨aussert. Im Falle der Pf¨andung kann der Gl¨aubiger den Satelliten auch ohne die Kooperation des Schuldners u¨ bernehmen. Die andere M¨oglichkeit ist eine organisatorisch-administrative Massnahme. Der Satellit wird von einem Dritten, einem geeigneten Satellitenkontrollzentrum kontrolliert, das an den Gl¨aubiger berichtet. Im Falle der Pf¨andung u¨ bergibt dieses Zentrum die Kontrolle des Satelliten an den Gl¨aubiger oder f u¨ hrt sie weiterhin fu¨ r den Gl¨aubiger im Auftrag durch.

3.13 Zusammenfassung Die geschickte Wahl von fu¨ r die jeweilige Mission geeigneten Frequenzen ist von grosser Bedeutung. Die Frequenzknappheit f u¨ hrt dazu, dass heute Frequenzen bis 100 GHz genutzt werden. Diese und die Satellitenbahnen werden von der ITU verwaltet und sind nicht ersetzbare Ressourcen. Seit die ITU 1863 von den europ¨aischen Postverwaltungen gegr¨undet wurde, respektieren die Signatare einvernehmlich vereinbarte Regelungen und sch¨atzten die nachhaltige Verf u¨ gbarkeit von Funkfrequenzen als oberstes Ziel. ITU-Regulierungen wurden zum V¨olkerrecht, Funkfrequenzen als nicht vera¨ usserlich und ihre Zuteilung an Betreiber als nicht k¨auflich deklariert. Kein Signatar d¨urfe dulden, dass eine nicht durch die ITU zugeteilte Frequenz eigenm¨achtig genutzt werde. Seitdem die Ressource „Frequenzen“ durch eine stetige Zunahme von Funkdiensten immer knapper wird, erlebte die Welt st¨andig auch die Vermarktung von Frequenzen durch die Regulierungsbeh¨orden und die Antragsteller. Herausragendes Beispiel ist die Versteigerung von UMTS-Lizenzen in Europa, die den Staaten fast 200 Mrd DM (entspricht ca. 100 Mrd €) einbrachten. Auch im Satellitenbereich sind solche Lizenz-Verk¨aufe get¨atigt worden und zu erw¨ahnen ist in diesem Zusammenhang die Ver¨ausserung einer geostation¨aren Satellitenposition in den USA f u¨ r ca. 700 Mio $. Abschliessend das wichtige Konzept des Partagierens: Es gibt M¨oglichkeiten, die wichtige Resource Spektrum in der Frequenz, der Zeit, im Code und im Raum zu teilen. Die Raumteilung ist das gr¨osste Potential fu¨ r die zuk¨unftige Frequenznutzung.

Literaturhinweise

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Literaturhinweise Telekommunikationsgesetz (TKG); Bundesgesetzblatt 1996, Teil I, Nr. 39, Bonn, 31.7.1996, u¨ berarbeitete Fassung vom 22. Juni 2004 Vollzugs-Ordnung f¨ur den Funkdienst (VO-Funk); Regulierungsbeh¨orde f¨ur Telekommunikation und Post, Mainz, 2001 Frequenzbereichszuweisungplan f¨ur die Bundesrepublik Deutschland und internationale Zuweisung der Frequenzbereiche 9 kHz–400 GHz; RegTP, Mainz, 2001 Radio Regulations, International Telecommunications Union (ITU; Internationale Fernmeldeunion), Genf, 2004 Final Acts of the World Radiocommunication Conference WRC00, International Telecommunications Union, Genf, 2003 Final Acts of the World Radiocommunication Conference WRC03, International Telecommunications Union, Genf, 2006 James B. Potts,„Satellite Transmission Systems“, Bass II Publications, Lewes, Delaware, 1993 Meyerhoff, Henry J., „Appendix 29 of the Radio Regulations and Calculation of Carrier-toInterference Ratio“, IFRB 7/92-E, Genf, 1992

4 Codierung, Chiffrierung, Interleaving, Modulation

„Gut gek¨ornt ist halb gebohrt – die Bandbreite verdoppelt sich nur alle 100 Jahre“ Dieses Kapitel behandelt die K¨ornung, Auslegung und Dimensionierung der Satelliten¨ubertragung, der Weg von der Quelle (Sprache, Daten, Bewegtbild) bis zur Senke (das Ohr, das Auge, der Computer); diese Kette ist in Abb. 4.1 dargestellt: Übertragung Transmission Frequenzumsetzung Frequency Conversion

Frequenzumsetzung Frequency Conversion

Modulation Modulation

Demodulation Demodulation

Blockverschachtelung Interleaver

Blockentschachtelung De-Interleaving

Kanalcodierung Channel Coding

Kanaldecodierung Channel Decoding

Bündelung Multiplexing Verschlüsselung Encryption Qellencodierung Source Coding Digitalisierung Digitization

Entbündelung Demultiplexing Entschlüsselung Decryption Qellendecodierung Source Decoding Darstellung Display

Abb. 4.1 Die Sequenz der Signalverarbeitung und -¨ubertragung

Die Digitalisierung wird vorgenommen, weil das Signal nur in der digitalen Form quellcodiert und komprimiert werden kann. Die Quellcodierung ist vorteilhaft, um das Signal darzustellen und zu kompri¨ mieren, damit es weniger Bitrate und Bandbreite bei der Ubertragung ben¨otigt. Die Verschl¨usselung ist f u¨ r den Datenschutz notwendig, im Allgemeinen und bei Funkstrecken, terrestrisch oder via Satellit besonders. ¨ Die B¨undelung erlaubt die effizientere Ubertragung mehrerer Quellen auf einem Hochfrequenztr¨ager anstatt die Quellsignale einzeln zu u¨ bertragen.

76

4 Codierung, Chiffrierung, Interleaving, Modulation

Die Kanalcodierung dient dem Fehlerschutz auf der Funkstrecke; durch zus¨atzliche Code-Bits k¨onnen dB an physikalischer Leistung eingespart werden. Die Blockverschachtelung ist ein Mittel zur Behebung von Signalausf¨allen, zum robusten Fehlerschutz insbesondere auch beim Ausfall einer zusammenh¨angenden Bitfolge, die die Kanalcodierung nicht korrigieren kann. Die Modulation ist n¨otig, weil das unmodulierte Signal in der Tonfrequenz nicht u¨ ber weite Entfernungen u¨ bertragen werden k¨onnte. Die Frequenzumsetzung konvertiert das Signal in die f u¨ r die Funk¨ubertragung geeignete Hochfrequenz und dann wieder zur¨uck ins Basisband zum Nutzer. Die Kette von der Quelle bis zur Sendeantenne ist in Abb. 4.2 gezeigt. Dabei kann die Verschl¨usselung, anstatt, wie im Bild gezeigt, auf das Summensignal zu wirken, auch vorteilhaft auf die Einzelsignale individuell angesetzt werden. Bandpassfilter

Low Noise Amp.

Downconverter

Demodulator

Deinter-

Decoder leaver

Decrypter

DeMultiplexer Ack's Status MPEG FEC

Sende/ BandEmpfang passDiplexer filter

High Power Amp.

Upconverter

Modulator

Interleaver

Encoder

Encrypter

Multiplexer

Antenna Control Unit (ACU)

Abb. 4.2 Die Kette von der Quelle bis zur sendenden Erdfunkstelle und zur¨uck, mehrere Kan¨ale gemultiplext

4.1 Digitalisierung { die Nyquist Rate In der ersten Stufe werden die Signale u(t) digitalisiert. Hierzu werden sie mit der Nyquist Rate abgetastet. Jeder Abtastwert wird als Zahl u¨ bertragen, zum Beispiel mit m = 8 bit, also 256 Stufen. Das resultierende Quantisierungsrauschen n und die Signalleistung s betragen T

1 n= T

+ 2

u(t)2

dt u2 = R (12R)

(4.1)

− T2

wobei u = Spannungsquantisierung u¨ ber dem Widerstand R und T = Nyquistperiode; und

4.1 Digitalisierung – die Nyquist Rate

s = (k2 − 1) ·

u2 (12R)

77

(4.2)

mit k = Zahl der Quantisierungsintervalle, so dass s = k2 n

(4.3)

 Nach Nyquist muss die Zahl der Abtastwerte das Doppelte der h¨ochsten Frequenz fmax des Signales s betragen, um keine Information zu verlieren: k = 2fmax Telefonsprache mit fmax = 4 kHz wird mit 8000 Werten pro Sekunde abgetastet. F¨ur m = 8 Bit pro Abtastwert wird die Bitrate zu 8 Bit 8000 Werten pro Sekunde, also 64 kbit/sec. Mit 28 = 256 ist s/n = (28 )2 = 65 536 oder 48 dB. In dB gilt S − N = 6m

(4.4)

mit m = Anzahl der Bit pro Abtastwert, so dass m=

8

10

12

14

16

S-N =

48 dB

60 dB

72 dB

84 dB

96 dB

Die Tabelle zeigt einige in Europa, den USA und Japan g¨angige Bitraten: Tabelle 4.1 G¨angige Bitraten in Europa, Amerika und Japan 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Name Telex Speed

Voice Speed

D-Kanal Digital Signal Level 0 A-Kanal Integrated Services Dig.Netw. PCM-Multiplex DS-1 PCM 30 DS-2 Multiplexed E1 PCM/DSMX 34 DS-3

Abk. CCITT-7 V.21 V.22 LPC10 G.729 G.728 G.721 DS 0/V.90 G.711 ISDN DSMX T1 E1 T2 E2 J3 E3 T3

EU 50 b/s 300 b/s 1,2 kb/s 2,4 kb/s 8 kb/s 9,6 kb/s 16 kb/s 32 kb/s – 64 kb/s 144 kb/s 384 kb/s 512 kB/s – 2,048 Mb/s – 8,448 Mb/s – 34,368 Mb/s –

USA 50 b/s 300 b/s

Japan 50 b/s

2,4 kb/s 8 kb/s –

56 kb/s – –

56 kb/s – –

1,544 Mb/s – 6,312 Mb/s – – – 44,736 Mb/s

1,544 Mb/s – 6,312 Mb/s – 32,064 Mb/s – –

78

4 Codierung, Chiffrierung, Interleaving, Modulation Tabelle 4.1 Fortsetzung

21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34

Optical Carrier Level 1 Optical Carrier Level 2 PCM/DSMX 140 Optical Carrier Level 3 DS-4

PCM/DSMX 560 Opt.Carrier Lev.OC-4 Opt.Carrier Lev.OC-5 Opt.Carr. Lev.OC-192

OC-1 J4 OC-2 E4 STM-1 T4 J5 STM-3 E5 STM-4 STM-8 STM-9 STM-16 STM-64

– – – 139,264 Mb/s – – – 466,56 Mb/s 560,0 Mb/s 622,2 Mb/s 1,244 Gb/s – – –

51,840 Mb/s – 103,680 Mb/s – 155,520 Mb/s 274,176 Mb/s – – – 622,2 Mb/s – 1,5 Gb/s 2,48832 Gb/s 10 Gb/s

97,728 Mb/s – – – 400,352 Mb/s – – – – – – –

4.1.0.1 Aliasing Aliasing entsteht, wenn ein Signal unter der Nyquist Rate abgetastet wird. Dabei gehen alle h¨oherfrequenten Signalanteile verloren und werden empfangsseitig falsch interpretiert. Beispiel 1: Digitales Audio wird mit 48 kb/s abgetastet. Die Schwingung h¨ochster Frequenz, die korrekt wiedergegeben wird, ist 24 kHz. Ein 30 kHz Ton wird zum 18 kHz Ton. Dies ist eine h¨orbare, l¨astige Verzerrung. Ein geh¨orter 18 kHz Ton kann von einer 18 kHz Signalkomponente herr¨uhren, oder aber auch von einem 30-kHz-Signalanteil. Der Ton ist 18 kHz alias 30 kHz. Beispiel 2: Ein alter Wildwestfilm zeigt einen fahrenden Wagen mit 25 Bildern pro Sekunde. Die Speichenr¨ader drehen sich schneller als 25-mal pro Sekunde. In der Filmwiedergabe drehen sie sich r¨uckw¨arts – eine F¨alschung, weil die Bildfolge unter der Nyquist Rate der Raddrehung liegt.

4.2 Quellencodierung 4.2.1 Compandierung Zur besseren Nutzung der (kostbaren) Satellitenleistung und des (endlichen) Frequenzspektrums verdichtet (komprimiert) man Amplitude und Frequenzhub der Signale. 4.2.1.1 Amplituden-Compandierung ¨ Die St¨orung eines Signals wird reduziert, wenn seine Amplitude vor der Ubertragung komprimiert und danach nach der inversen Gesetzm¨assigkeit (Compan-

4.2 Quellencodierung

79

ding Law) wieder expandiert wird. Amplituden-Compandierung wird bei AM und FM angewandt. Der erreichte Compandierungsgewinn als Funktion des Signal/Rauschabstandes S-R ist: CG = 0,464 · (S − R) − 4,125 dB

f u¨ r

S − R > 15 dB

(4.5)

In der Praxis wird ein Amplitudencompandierungsgewinn von 7 bis 10 dB erzielt. 4.2.1.2 Frequenz-Compandierung Im Gegensatz zum Amplituden- macht der Frequenz-Compandierer von der Tatsache Gebrauch, dass tiefe Vokalkl¨ange und hohe Konsonantenkl¨ange nicht gleichzeitig vorkommen und komprimiert das Frequenzband. In praxi werden bis zu 60% des Basisbandes gepresst. Dass ergibt ca. 2 kHz pro Sprachkanal, statt 3,4 kHz. Damit werden im Companded Single Sideband-Suppressed Carrier-Betrieb im 40 MHzTransponder,der mit FDM/FM/FDMA 500 und mit PCM/QPSK/TDMA 1 000 Kan¨ale u¨ bermittelt, 18 000 Kan¨ale u¨ bertragen. Der Compandierungs-Gewinn fusst auf der reduzierten Hochfrequenzbandbreite und damit dem proportional reduzierten Rauschleistungsanteil: CG = 10 log

b nicht−reduziert [dB] breduziert

(4.6)

In der Praxis wird ein Frequenzcompandierungsgewinn von 3 dB erzielt. 4.2.1.3 Begrenzer Eine billigere Methode der Amplitudenkompression ist, die Signalspitzen abzuschneiden (s. Abb. 4.3), um den dynamischen Bereich zu begrenzen. Im Gegensatz zur Compandierung, die das Signal nicht degradiert, entsteht bei dieser nichtlinearen Begrenzung (Peak Clipping) Intermodulation. Um diese klein zu halten, muss die Begrenzung klein gehalten werden.

Abb. 4.3 Das Prinzip des Peak Clipping

Die Begrenzung der Amplitude wird auch verwendet, um die Auswirkung eines St¨orers im Rahmen zu halten (siehe „Limiter“ in Kap. 11).

80

4 Codierung, Chiffrierung, Interleaving, Modulation

4.2.1.4 Echo Im klassischen Kupferkabel-Telefonnetz war das teuerste Glied dieVerbindung zum Teilnehmer; deshalb legte man sie als Zweidrahtverbindung aus und wandelte sie im Teilnehmerendger¨at mit Hilfe einer Gabelschaltung1 in die Vierdrahtverbindung, die zum Betrieb von Mikrophon und Lautsprecher notwendig ist. Die Impedanz dieser Gabel konnte aber nicht an die Impedanz der Zweidrahtstrecke angepasst sein, da die Zweidrahtstrecke zu jedem Teilnehmer verschieden lang ist. So reflektierte ein Teil des ankommenden Signals zur¨uck zum Sender; dieses Echo konnte nie ganz unterdr¨uckt werden und war besonders bei Satellitenverbindungen l¨astig, weil das gesprochene Wort h¨orbar zeitversetzt zur¨uckhallte. Mit der Einf u¨ hrung der Halbleitertechnik wurde es m¨oglich, dass jeder Telefonanschluss bei der Installation abgeglichen werden konnte – das Echo war eliminiert. 4.2.1.5 Der Rauschunterdrucker ¨ Ahnlich dem Begrenzer (siehe oben) schneidet der Rauschunterdr¨ucker ein St¨uck des Signals ab,hier den Spannungsbereich um den Nulldurchgang.Damit eliminiert man ein Brummen, aber auch das Echo (den Hall) von Weitverkehrsverbindungen, bei denen noch analoge Frequenzweichen im Spiel sind. Der den Spannungsbereich um den Nulldurchgang ausschneidende Rauschunterdr¨ucker (Center Clipper) l¨asst im Telefonkreis das Signal durch, wenn es u¨ ber einem Spannungsschwellenwert liegt und stoppt es („¨offnet den Schalter“; s.Abb.4.4), wenn es darunter f¨allt. So wird der Zwischenbereich (Niedrigspannungsanteil) des Sprachsignals entfernt.

Abb. 4.4 Das Prinzip des Center Clipping

Wenn nur ein Echo ankommt, mit typischerweise einem Achtel der Leistung des Sprachsignals, und der Center Clipper alles unter 12,5% der Soll-Leistung herausschneidet, wird das l¨astige Echo unterdr¨uckt; es kann zwar nicht ausgeschnitten 1

Die Br¨uckenschaltung besteht im Wesentlichen aus den zwei Spulen eines 1 : 1 Transformators, die eine an der Zweidrahtseite, die andere telefonseitig. Diese wird mittig abgegriffen, auf eine Impedanz gef¨uhrt, die der mittleren Leitungsimpedanz entspricht, und deren Ausgang der gemeinsame Erdleiter der Vierdrahtseite ist.

4.2 Quellencodierung

81

werden, wird aber von dem dominierenden Sprachsignal „maskiert“ und subjektiv in den Hintergrund verdr¨angt. Der Center Clipper wird auch in digitalen Systemen zur Unterdr¨uckung von Brummt¨onen eingesetzt. Neben dem Center Clipper wurde fr¨uher noch die Telefonkreisabschaltung2 (Speech Detection) und das Echoausl¨oschungsverfahren3 (Echo Cancellation) verwendet. 4.2.2 Sprachcodierung Quellencodierung eindimensionaler Signale (Sprache) wird mit Verfahren wie Discrete Cosine Transform, Waveform Coding und Vector Coding gemacht. Da Sprache noch f u¨ r lange Zeit ein wesentlicher Verkehr ist, ist es wichtig, sie mit so wenig Aufwand wie m¨oglich zu u¨ bertragen. Der Aufwand bei der Funk¨ubertragung dr¨uckt sich in Sendeleistung C und Bandbreite B aus; die Sendeleistung ist C = Eb + 10 log [Bitrate] + const.

(4.7)

und die Bandbreite ist proportional zur Bitrate. Folglich ist es fu¨ r die Minimierung von Leistung und Bandbreite gleichermassen wichtig, die Bitrate zu minimieren. Im Prinzip gen¨ugen zw¨olf Diphtonge, um die menschliche Sprache zu erzeugen. Jeder Diphtong kann mit vier Bit dargestellt werden. Die Dauer eines Diphtongs ist im Mittel 10 ms; damit ergibt sich eine mittlere Bitrate von 72 bit/s f u¨ r die Wiedergabe der Sprache. In praxi gen¨ugen sogar 50 bit/s, abh¨angig von Sprecher und Sprache. Die so restaurierte Sprache kann blechern und unpers¨onlich klingen. F¨ur die breite Akzeptanz des Telefons wird Sprechererkennung (Talker Identification) verlangt. Um dies dem Sprachsignal wieder hinzuzuf u¨ gen, erh¨oht man die Minimalbitrate um den Faktor 2 bis 4, auf bis zu 300 bit/s. Voice-Codierer (Vocoder) mit 300 bit/s wurden der Fachwelt 1982 vorgestellt. F¨ur das Milit¨ar entwickelte Ger¨ate gehen ca. sechs Jahre weiter zur¨uck. Inzwischen gibt es Entwicklungen, die im Bereich 300 bit/s . . . 600 bit/s (mit Talker Identification) arbeiten. Sendeleistung kann auch durch Unterbrechung der Sendung w¨ahrend der Sprechpausen (wenn der Andere spricht etc.) reduziert werden; man spricht etwa 50% der Zeit und h¨ort 50% der Zeit zu, und w¨ahrend des Sprechens sind 20% Sprechpausen. Der Kanal ist nur 40% der Zeit aktiv. Wenn Sendeleistung nur zugeteilt wird, wenn der Kanal aktiv ist, kann 60% Leistung eingespart werden (nicht jedoch Bandbreite). Dies nutzte die COMSAT mit dem Digital Speech Interpolation (DSI) f u¨ r Satelliten¨ubertragung. 2

3

Die Telefonkreisabschaltung, wenn die Gegenstelle nicht spricht, verhindert zwar ein Echo, ben¨otigt aber schnelle Detektoren, die melden, wenn nicht gesprochen wird; h¨aufig schneiden diese Detektoren die ersten Silben ab. Die technisch beste L¨osung ist die Echosubtraktion; in den ersten Millisekunden der Verbindung vermessen Pilott¨one Laufzeit und D¨ampfung des Sprechkreises; danach kann auf beiden Seiten das gesprochene Wort, um die Laufzeit versetzt und um die D¨ampfung skaliert, von dem ankommenden Signal subtrahiert und das Echo eliminiert werden.

82

4 Codierung, Chiffrierung, Interleaving, Modulation

Mit der digitalen Sprachverarbeitung Continuous Variable Slope Delta-pulsecode-modulation; CVSD) hat COMSAT ein weiteres Digitalverfahren entwickelt, in dem zus¨atzlich zur Pauseneliminierung die Signalpr¨adiktion bzw. Interpolation gemacht wird, die erste Ableitung des Signals wird im Delta-Verfahren u¨ bertragen. Das CVSD wurde im INTELSAT-System eingef u¨ hrt. Tabelle 4.2 zeigt die Systemkomplexit¨at, die Bitrate und grobe Kostenangaben f u¨ r die Vocodingverfahren. Sie werden unter der Bezeichnung Waveform Coding zusammengefasst. Weitere Reduktionen werden durch Vector Coding erreicht: Das Signal wird aus dem Zeitbereich in einen h¨oheren Bereich transformiert, zum Beispiel den Fourier-Bereich (Fast Fourier Transform; FFT) und den Bereich Linear Predictive Coding (LPC10). Es gibt kaum ein Kostengef¨alle zwischen den Verfahren; bei der Auswahl des Vocoders entscheiden prim¨ar die Interoperabilit¨at mit dem Partner und dann die Sprachqualit¨at. Tabelle 4.2 Relative Systemkomplexit¨at, Bitrate, Kostenangaben f¨ur Vocodingverfahren Relative Komplexit¨at 1 2 5 50 50

Bitrate [bit/s] 32 000 16 000 9 600 6 000 4 800

Abk¨urzung

Vocoding Verfahren

ADPCM CVSD P-P ADPCM APC RELP

100 400 500 600 1000

2 400 800 600 200 50

LPC-10 LPC-VEC FORMANT V/M-QUANT Articulatory

Adaptive Differential PCM Continuous Variable Slope Delta-PCM Pitch-Predictive ADPCM Adaptive Predictive Coder Residual Exciter Linear Predictor (INMARSAT) Linear Predictive Coefficient LPC Vector Quantization FORMANT vocoder Vector/Matrix QUANTization Vocal tract synthesizer; analysis and synthesis

Kosten [€] < 100

< 100

< 100

4.2.3 Videokomprimierung Parallel zur Digitalisierung der Sprachkan¨ale, wobei zum Beispiel 2000 Kan¨ale in TDM/TDMA in der gleichen Bandbreite (36 MHz) wie 1000 analoge Kan¨ale in FDM/FDMA u¨ bertragen werden k¨onnen, werden auch Bewegtbilder digitalisiert ¨ und zur Ubertragung komprimiert. Die Zahl der Programme nimmt stetig zu; auch hier f u¨ hrt Digitaltechnik zu niedriger Bitrate und so zu mehr Programmen im Kabel oder Satellitentransponder. Seit 1993 werden die so genannten MPEG-Programme eingesetzt. Nach INTELSATK, STAR-TV und ASIASAT hat auch ASTRA den Betrieb aufgenommen. Der ISO-MPEG-Standard wurde von der Motion Picture Expert Group der Internationalen Standard Organization (ISO) definiert. Ohne digitale Kompression w¨aren etwa

4.2 Quellencodierung

83

¨ – 700 Mbit/s fu¨ r die Ubertragung eines Fernsehbildes notwenig4 , etwa – 1,6 Gbit/s fu¨ r ein 16 × 9-HDTV mit 1250 Zeilen, also – 3,2 Gbit/s fu¨ r stereoskopisches HDTV5. Wenn durch Komprimierung ein Fernsehbild mit 2 Mbit/s u¨ bertragen werden kann, ist der Komprimierungsgewinn also 700/2 = 350 oder 25 dB, wenn HDTVStereoskopie mit 4 Mbit/s u¨ bertragen wird, ist der Komprimierungsgewinn 3176/4 = 12 704 oder 41 dB. Die Digitaltechnik bietet heute bis zu 20 mal mehr Programme, bei gleichzeitig besserer Wiedergabequalit¨at oder kleineren Heimempfangsanlagen oder einer gr¨osseren geographischen Reichweite bei gleicher Satellitensendeleistung (oder einer geschickten Kombination dieser drei Systemeckwerteverbesserungen), auf der Basis der Komprimierung. 4.2.3.1 Bildpradiktion und Bewegungskompensation Die Basis von MPEG ist die Diskrete Cosinus-Transformation (Discrete Cosine Transform – DCT); Pr¨adiktion und Interpolation sind das Herzst¨uck der Kompression von Bildfolgen. Die bew¨ahrte Methode der Wettervorhersage zu sagen, dass es morgen so sein wird wie heute, trifft bei Bewegtbildern mit a¨ hnlichem Erfolg zu. Gut 90% des Folgebildes sind unver¨andert – ausser bei Szenenwechseln. Folglich identifiziert man die Bildelemente, die sich ge¨andert haben; es besteht keine Notwendigkeit, die kompletten Einzelbilder zu u¨ bertragen. Im MPEG-Standard werden zw¨olf aufeinander folgende Bilder pro Rahmen (Intra Rahmen oder I Rahmen) verarbeitet. Der Encoder sendet dann die Information ¨ u¨ ber Richtung und Ausrichtung der Anderungen im Folgerahmen. Der Decoder empf¨angt und gibt das erste Bild weiter und verwendet dann die anstehende Bildpr¨adiktionsinformation, um die Bilder „4“ und „8“ zu rekonstruieren. Nach der Generierung der Bilder „4“ und „8“ werden Pr¨adiktions- und Interpolationsalgorithmen eingesetzt, um die Bilder „1“, „2“, „3“; „5, „6“, „7“ und „9“, „10“, „11“ zu berechnen (B-Rahmen); dann sind die zw¨olf Bilder des Rahmens wiederhergestellt, obwohl nur eines (das I-Bild) u¨ bertragen wurde; die anderen elf Bilder wurden vom Decoder konstruiert. MPEG4 maximiert die Interpolation zwischen I-Bildern und erzielt damit die niedrigsten Bitraten; MPEG2 arbeitet mit weniger interpolierten Bildern zwischen ¨ I-Bildern und ist damit besser fu¨ r die Ubertragung auf Funkstrecken und insbesondere auf Mobilfunkstrecken geeignet, wo auch mal I-Bilder verloren gehen k¨onnen. Dieses w¨urde dann bei MPEG-4 zum Verlust der Folgebilder bis zum N¨achsten I-Bild f u¨ hren.

4

5

{625 Zeilen/Bild · 625 Pixels/Zeile · 50 Bilder/s · [3 Farben/Pixel · 8 bit/Farbe + 12 bit f¨ur die Luminanz ] + 2 · 2 Mbit/s f¨ur Audio } = 707 Mbit/s {1250 Zeilen/Bild · 704 Pixels/Zeile · 50 Bilder/s · [3 Farben/Pixel · 8 bit/Farbe + 12 bit f¨ur die Luminanz ] + 2 · 2 Mbit/s f¨ur Audio } · 2 Kan¨ale = 3,176 Gbit/s

84

4 Codierung, Chiffrierung, Interleaving, Modulation

4.2.3.2 Codierung mit Variabler Bitrate, VBR Bei konstanter Bitrate werden sowohl komplexe Bildelemente, die es n¨otig haben, als auch simple Bildelemente mit derselben Bitrate wiedergegeben, wobei bei letzteren Bits verschwendet werden. Variable Bit Rate (VBR) Codierung spart bis zu ¨ 40% Ubertragungsbit ohne Bildqualit¨atsverlust.Hierzu verwendet der Encoder eine Metric der aktuellen Bildqualit¨at (Picture Quality Rating; PQR). Im Verbund mit intelligenten Multiplexern (Statistical Muxes), die vom Einzelsignal nur die jeweils notwendige Bitrate u¨ bertragen, ist VBR von bedeutendem Vorteil. Zehn Bilder a´ nominell 2 Mb/s k¨onnen so mit 8 Mb/s Summenbitrate u¨ bertragen werden. 4.2.3.3 Modulation von MPEG-Signalen In QPSK-Modulation nimmt ein 2 Mbit/s MPEG-Signal ca. 1,5 MHz Hochfrequenzbandbreite ein. In einem DtH-Transponder von zum Beispiel 27 MHz Bandbreite k¨onnen so theoretisch bis zu 18 Programme als Single-Channel-Per-Carrier (SCPC) im Mehrtr¨agerbetrieb angeordnet werden. Die durch den Mehrtr¨agerbetrieb generierte Intermodulation reduziert die Anzahl jedoch auf 10 bis 12 Tr¨ager. Deshalb b¨undelt man die Programme im Zeitmultiplex (Time Division Multiplex; TDM; Skyplexing) auf einen gemeinsamen Tr¨ager, der im Eintr¨agerbetrieb mit zum Beispiel 45,71 Mbit/s im Transponder u¨ bertragen wird; mit Rate 7/8 codiert k¨onnen 40 Mbit/s oder bis zu 20 MPEG-Programme (`a 2 Mbit/s) abgestrahlt werden. Es k¨onnen auch f u¨ nf HiFi-Programme a` 8 Mbit/s oder jede Kombination von 2 Mbit/s, 4 Mbit/s, 6 Mbit/s und 8 Mbit/s-Signalen sein. 4.2.3.4 Zusammenfassung MPEG MPEG-2 ist ein ISO-Standard, der bereits vor seiner Einf u¨ hrung international anerkannt wurde. Der Codier/Decodierprozess wurde so gestaltet, dass der Aufwand in die Codierung verlagert wurde und die Decodierer so einfach wie m¨oglich sind: Der Codierer kostet z.B. 20 €, der Decodierer < 100 €. Die Signalverarbeitung dauert < 1 s. Das MPEG-2-Verfahren beschreibt eine Reihe von Kompressions-Algorithmen und die Speicherung von Video-, Stereo-Audio- und Begleitdaten, ohne eine feste Bitrate vorzugeben. Diese kann von 1,5 Mbit/s bis u¨ ber 15 Mbit/s variieren, je nach Art des Quellensignales und der geforderten Wiedergabequalit¨at. ¨ Da der Endnutzer f u¨ r die MPEG-Ubertragung in den Decoder investieren muss (es sei denn, er bezieht das Signal aus einem Kabel, in das die SMATV-Station es bereits r¨uckkonvertiert eingespeist hat) m¨ussen diese Programme etwas Zus¨atzliches bieten,um den Zuschauer zu der Investition zu bewegen.Denkbar w¨aren,abgesehen von einer h¨oheren Programmauswahl, Pay-TV, Pay-per-View, Video-on-Demand, Interactive TV, Home Shopping, 16 : 9-HDTV6 etc. 6

HDTV = High Definition Television, hoch aufl¨osendes Fernsehen, meist im 16 : 9-Format

4.2 Quellencodierung

85

Abb. 4.5 Bildqualit¨at von analoger (FM und Threshold Extention-FM, TEFM) und MPEG¨ Ubertragung, gegen C-N

Einher mit der Komprimierung der Bilddaten geht die Informationsentropie aller Einzelbits: Die Bit m¨ussen korrekt sein, dann hat das Bild hohe Qualit¨at. Sind alle Bits korrekt, erfolgt keine weitere Bildqualit¨atssteigerung (s. Abb. 4.5; die Kurve flacht aus). Wird die notwendige Bitfehlerrate jedoch unterschritten, bricht die Bildqualit¨at v¨ollig zusammen, im Gegensatz zu der graduierlichen Verschlechterung analoger Signale. Die MPEG-Standards k¨onnen wie folgt zusammengefasst werden: MPEG1 VHS Qualit¨at Video (1,5 Mbit/s); wird bei CD-ROM und DAB verwendet; seit 1993 standardisiert; MPEG2 Gute Qualit¨at (2-10 Mbit/s), r¨uckw¨artskompatibel mit MPEG1; Digital Video Broadcast (DVB) und Digital Versatile Disc (DVD); seit 1994 standardisiert; das Audio im Internet, bei DARS (USA) und Worldspace ist der Tonkanal von MPEG2; MPEG4 aktueller TV-Standard mit ca. 4 Mb/s f u¨ r das normale Bild und etwa 8 Mb/s fu¨ r HDTV; MPEG5 f u¨ r „Multimedia Hypermedia“ Standard PEG4 Settop Boxes MPEG7 wird f u¨ r multimediale Anwendungen konzipiert, einschliesslich Content Analysis. 4.2.4 Audiokomprimierung F¨ur Digital Audio Broadcast (DAB), terrestrisch und via Satellit abgestrahlt, werden regional verschiedene Frequenzb¨ander verwendet: USA, IND: 2310–2345 MHz RUS, JAP: 2520–2670 MHz EU:

1452–1492 MHz

(35 MHz)

Zu gleichen Teilen zwei Satellitenbetreiber (XM, Sirius) und ein terrestrischer Betreiber (150 MHz) Dieses Band wird in Europa zuk¨unftig dem Mobilfunk zugewiesen werden (40 MHz) Unterhalb 1467,5 MHz terrestrischer-, oberhalb Satellitenbroadcast.

86

4 Codierung, Chiffrierung, Interleaving, Modulation

Daneben wird digitaler H¨orrundfunk – mit unterschiedlichen Standards – u¨ ber Fernmeldesatelliten im Ku-Band abgestrahlt (EUTELSAT und ASTRA). F¨ur den Empfang ben¨otigt man ASTRA-¨ahnliche oder noch kleinere Antennen. F¨ur den Empfang von Digital Audio Broadcast (DAB) gen¨ugt auch eine Stabantenne. Das terrestrische DAB ist in Deutschland z¨ogerlich angelaufen. Die Firma WorldSpace realisierte einen Satelliten-DAB-Dienst f u¨ r die Karibik, Afrika, Europa, Indien und den Pazifik, der auch in Deutschland empfangbar ist. Diese Satelliten arbeiten im Band 1452–1492 MHz. In den USA werden seit 2000 zwei Digital Audio Radio Systems (DARS; XM und Sirius) bei 2,3 GHz betrieben. F¨ur ihren Empfang gen¨ugen sehr kleine Antennen am Fahrzeug. In Japan ist das ESS Satelliten-DARS geplant. ESS, XM, Sirius und WorldSpace senden im MP3-Standard, in dem auch das Internet Tausende von Audio-Titeln ausstrahlt. MP3 ist im Wesentlichen das Audio von MPEG-2/Layer-3 (siehe Videokomprimierung, Kap. 4.2.3). Das terrestrische DAB wird in Europa nach dem Standard EUREKA-147 abgestrahlt, der 1986 definiert wurde. Inzwischen ist die Komprimierung weiter fortgeschritten und ausserdem war EU-147 nicht f u¨ r Satelliten geeignet. Es hat keinen nennenswerten Interleaver, das verwendete COFDM verursacht 2 dB Verlust im Satellitensender, die inkoh¨arente Demodulation ben¨otigt 3 dB mehr Leistung als QPSK (siehe Modulationsverfahren), der fehlende Reed-Solomon Code vergibt 4 dB Leistung (siehe Kanalcodierung) und die veraltete Komprimierung ben¨otigt die doppelte Bitrate gegen¨uber MP3, also 3 dB mehr Leistung (siehe Di¨ gitale Ubertragung), in der Summe ein Nachteil von 12 dB. EU-147 verh¨alt sich zu MP3 wie D2MAC zu MPEG. Das EU-147 heute f u¨ r ein zuk¨unftiges DAB vorzusehen w¨are, als wenn man einen SuperPC f u¨ r den Markt von 2010 entwirft auf der Basis eine 286 Prozessors.

Die digitale Kurzwelle Audioprogramme wurden in Europa ca. 1998 im Programm Digital Radio Mondiale (DRM) digital komprimiert. F¨ur die weltumspannende Abstrahlung (in der Mittelwelle bei 526,5 bis 1606,5 kHz, in der Kurzwelle bei 25 670,0 bis 26 100,0 kHz etc.) verwendet man 16QAM und 64QAM, letzteres im Regelfall und das robustere 16QAM mit reduzierter Qualit¨at in der Wiedergabe bei atmosph¨arischen und insbesondere ionosph¨arischen St¨orungen; der Sender schaltet st¨orungsabh¨angig von einem Modulationsverfahren auf das andere um, und das Radio „zieht mit“. Die digitale Kurzwelle u¨ bertr¨agt den Audiokanal mit 23 kb/s, einem Zehntel ¨ der Ubertragungsrate des Digital Audio Broadcast (DAB) bei gleicher subjektiver Qualit¨at im Auto. Der Kurzwellensender sendet weltweit (und kann auch im Wald empfangen werden), w¨ahrend das DAB bei 1,5 GHz einen Sender alle zwanzig Kilometer ben¨otigt (und nicht in den Wald oder die Strassenzeile hinein sieht). ¨ Die Ubertragung erfolgt terrestrisch; das Signal reflektiert an der Ionosph¨are und ist damit auch jenseits des Horizontes empfangbar – nach sechs Reflektionen auf der anderen Seite der Erde.

4.3 Verschl¨usselung

87

4.2.5 3-D-Fernsehen Beim 3-D-Fernsehen wird dem Bild die r¨aumliche Dimension, die Tiefe hinzugef u¨ gt. Wegen des technischen Aufwandes bei Aufnahme und Wiedergabe und ¨ der h¨oheren Ubertragungskosten ist es bis Anfang der 80er Jahre u¨ ber Versuchssendungen nicht hinaus gekommen. Das a¨lteste Verfahren ist das 1850 entwickelte Anaglyphenverfahren (Anaglyphe – ein reliefartiges Kunstwerk). Es kam in den 50er Jahren wieder auf, als 3-D-Filme eine kurze Bl¨ute erlebten. Weltweit wurden bis ca. 1990 etwa 250 3-D-Filme hergestellt. 1982 wurde in den dritten Fernsehprogrammen in Deutschland unter anderem der Film „Wenn die Bilder plastisch werden“ ausgestrahlt, der mit einer rot-gr¨unen Brille in 3-D gesehen werden konnte. Innerhalb weniger Wochen wurden mehrere hunderttausend Anaglyphenbrillen verkauft. In den USA begann die Produktion von 3-D-Videos auf Kassette. Man unterscheidet das stereoskopische, das autostereoskopische und das holographische Verfahren. Es gibt drei stereoskopische Verfahren. Beim ersten Verfahren wird das Bild mit zwei im Augenabstand versetzten und mit unterschiedlichen Filtern (rot-gr¨un) versehenen Objektiven aufgenommen. Die Bilder werden u¨ bertragen und leicht gegeneinander verschoben auf dem Bildschirm abgebildet. Die Brille (rechts rot, links gr¨un) ordnet die Bilder dem Auge zu, so dass in der Verschmelzung der Bilder ein r¨aumlicher Eindruck entsteht. Beim zweiten Verfahren werden bei der Aufnahme mit einem Spiegel, der nur Rot und Gr¨un durchl¨asst, die Rechts- und Linksbilder erzeugt. Diese werden u¨ bertragen, auf dem Bildschirm sichtbar gemacht und mit der rot-gr¨unen Stereobrille den Augen zugeordnet. Beim dritten Verfahren werden abwechselnd die Teilbilder der linken und rechten Kamera u¨ bermittelt; man schaut mit einer ungef¨arbten Brille mit einem elektronisch gesteuerten, mit dem Bildwechsel synchronisierten Verschluss, wobei den Augen im entsprechenden Rhythmus das Teilbild so zugeordnet wird, dass in der Verschmelzung der r¨aumliche Eindruck entsteht. Beim autostereoskopischen Verfahren wird die r¨aumliche Bildwirkung mit einem speziellen (Fl¨ussigkristall-)Bildschirm erzeugt, es wird keine Brille ben¨otigt. Die holographische Aufnahme (holo = ganz, unversehrt) des gesamten Beugungsbildes eines Objektes erlaubt seine Betrachtung von allen Seiten; es ist das ¨ aufwendigste Verfahren mit dem h¨ochsten Aufnahme-, Ubertragungsund Wiedergabeaufwand. Stand der Technik sind heute stereoskopischeVerfahren in vielen Anwendungen in der Produktion bis hin zur Medizintechnik und insbesondere der Tele-Medizin und Tele-Chirurgie.

4.3 Verschlusselung  ¨ Professioneller Datenschutz bei der Ubermittlung ist f u¨ r Industrie und Handel unabdingbar. Konkurrenzunternehmen und „befreundete“ Staaten in Ost und West

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4 Codierung, Chiffrierung, Interleaving, Modulation

setzen immer umfangreichere Methoden der Industriespionage ein. Sp¨atestens seit der Wiedervereinigung tobt dieser Wirtschaftskrieg, angefu¨ hrt von USA, Russland und Frankreich. Die USA spionieren in Deutschland unter anderem im Rahmen des 1947 begr¨undeten Programms ECHELON (der Siegerm¨achte USA, UK,Australien und Neu Seeland). Der volkswirtschaftliche Schaden durch ECHELON in Deutschland betr¨agt ca. 1 Milliarde € pro Jahr. Deshalb m¨ussen Satellitenlinks,wie alle Funkstrecken und auch Kabel,gesch¨utzt werden, da alle Sendungen von jedem abgeh¨ort werden k¨onnen, der eine entsprechende Anlage betreibt.DerVorteil der Satellitenkommunikation vis a` vis Richtfunk und Kabel ist, dass der Chryptographie hier eher Aufmerksamkeit geschenkt wird. In Wahrheit ist Richtfunk und Kabel einfacher abh¨orbar (mit Dipolantennen in der Verl¨angerung der Richtfunkstrecke) als der Satellitenfunk (mit einer Erdfunkstelle mit einigen Metern Durchmesser). Bei festen Leitungen gibt es Wege, im Schacht an das Kabel anzukoppeln – und hier ist die Glasfaser leichter abh¨orbar, als das Kupferkoaxialkabel. Spezielle Codes und Schutzverfahren sind eine seit Jahrtausenden ge¨ubte Kunst, die durch den Einsatz elektromechanischer und dann elektronischer Ger¨ate eine hohe Reife erreicht hat. Trotzdem werden auch solche Systeme immer wieder durchbrochen, wobei h¨aufig menschliches Versagen (Fehler in der Handhabung) dem Codebrecher wertvolle Hinweise geben. Die klassische Cryptographie wurde von den Diplomaten und Milit¨ars verwen¨ det. Die wohl a¨ lteste Anwendung d¨urfte der Grabstein von Menet Khufu in Agypten 1900 v.C. sein; hier wurde dem Verstorbenen mit verschl¨usselten Hieroglyphen eine Botschaft mit auf den Weg gegeben, die bis heute nicht entziffert wurde. Alle anderen Chiffres wurden fr¨uher oder sp¨ater geknackt.Am 17. Jan. 1917 entschl¨usselten die Engl¨ander das „Zimmermann Telegramm“, das von Berlin an die deutsche Botschaft in Washington gerichtet war und den Plan enthielt, Texas, Arizona und Kalifornien nach dem gewonnenen Krieg an Mexiko zu geben. Daraufhin erkl¨arten die USA Deutschland den Krieg. Am 07. Dez. 1941 entzifferte die amerikanische Marine den Inhalt eines Telegramms von Tokyo an die japanische Botschaft in Washington, das das Ende der diplomatischen Beziehungen zu den USA fu¨ r 13:00 h (8:00 h in Hawaii) ank¨undigte. Die Regierung vers¨aumte jedoch zu reagieren und verlor in Pearl Harbor in wenigen Minuten 2 403 Soldaten und acht Schlachtschiffe. 4.3.1 Verschlusselungsprotokollebene  Versucht man die Nachrichtenverschl¨usselung in die Protokollhierarchie des OSIModells einzugliedern,so erscheint zun¨achst die Ebene 6 (Pr¨asentation; s.Abb.8.12) logisch sinnvoll. Im Prinzip kann auf jeder Ebene verschl¨usselt werden, insbesondere auch auf der physikalischen. Die Link-Ebene bietet hier Vorteile, wie z.B. die Verkehrsflussanalyse (Traffic Flow Analysis, wer spricht mit wem?), und das Einbetten einer (verschl¨usselten) Nachricht in einen permanenten Blindverkehr, so dass f u¨ r den Gegner nicht erkenntlich ist, ob eine Nachricht vorliegt.

4.3 Verschl¨usselung

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Auf der anderen Seite steht das Interesse von Sender und Empf¨anger, die nur an „End-to-End-Verschl¨usselung“ interessiert sind. Theoretisch k¨onnte die Informati¨ on vom Betreiber der Ubertragungswege verschl¨usselt werden, ohne den Endverbraucher damit zu bel¨astigen. Dies wird in praxi weniger gemacht, da (1) die Zubringerstrecke zum Endverbraucher – insbesondere wenn sie terrestrisch verl¨auft – ebenfalls schutzbed¨urftig ist, und (2) der Endverbraucher im Allgemeinen seine Information nicht dem Netzbetreiber anvertraut, sondern sie End-to-End selbst sch¨utzt und seine Schl¨ussel selbst verwaltet. Bei den traditionellen Fernmeldeeinrichtungen ist dieser Unterschied oft schwer auszumachen; anders liegen die Dinge bei der paketorientierten Daten¨ubertragung und ihrer Speichervermittlung (store and forward; speichern und weiterleiten). Da wesentliche Steuerinformationen im Packet Header enthalten sind, muss dieser, wo er interpretiert wird, im Klartext vorliegen. Es ist aber nicht n¨otig, dass an diesen Stellen auch der Datenteil im Klartext vorliegt; es spricht vieles daf u¨ r, die sch¨utzenswerten Daten in der Ebene 7 (Applikation) oder 6 (Pr¨asentation) f u¨ r ¨ eine „End-to-End-Ubertragung“ zu verschl¨usseln und unabh¨angig davon auf der physikalischen Ebene nochmals f u¨ r die jeweilige Strecke zu verschl¨usseln,um dabei auch die Header-Information f u¨ r einen potentiellen Lauscher uninterpretierbar zu machen. Es ist plausibel, dass diese beiden Verschl¨usselungsarten verschiedene Cryptoverfahren verwenden. F¨ur den Funkkanal gibt es Verfahren der Verschleierung, wie zum Beispiel die Bandspreizung (Spread Spectrum), bei der das Signal im Rauschen versteckt wird. Spread Spectrum ist jedoch keine Verschl¨usselung (kein Cryptoverfahren). 4.3.2 Cryptoverfahren Massgebend ist, dass der Algorithmus durch einen Schl¨ussel parametrisiert ist, der schnell austauschbar, aber sehr schwer zu brechen ist. Man geht davon aus, dass der Algorithmus dem potentiellen Lauscher bekannt ist, und dass nur der Schl¨ussel geheim ist. Die Verschl¨usselungsverfahren werden unterteilt in die so genannten – Substitutionsverfahren (Substitutions Chiffres) und – Transformationsverfahren (Transpositions Chiffres). Bei einem Substitutionsverschl¨usselungsverfahren wird jedem Buchstaben beziehungsweise jeder Buchstabengruppe aus dem Klartext ein Buchstabe beziehungsweise eine Gruppe zugeordnet. Obwohl theoretisch selbst einfache monoalphabetische Verschl¨usselung einen extrem hohen Schutz bietet (zum Beispiel 26! = 4 · 1026 m¨ogliche Schl¨ussel) kann ein solcher Code durch Enumerierung geknackt werden – speziell mit den heute verfu¨ gbaren Rechnern. Wesentlich gr¨ossere Sicherheit als die monoalphabetische Substitution bieten polyalphabetische Verfahren wie zum Beispiel der Vigenere Code. Aber auch dieser h¨alt einem beharrlichen Angriff nicht stand. Eine grosse Sicherheit bietet die individuelle Wurmverschl¨usselung, wobei der Schl¨ussel nur einmal verwendet wird (One Time Pad); dieses Verfahren ist sicher gegen den gezielten Angriff, zu Kosten der Schl¨usselverwaltung.

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4 Codierung, Chiffrierung, Interleaving, Modulation

Die deutsche Wehrmacht hat im 2. Weltkrieg Schl¨usselger¨ate eingesetzt, die auf einem polyalphabetischen Substitutionsverfahren mit extrem hoher Periodizit¨at des Schl¨ussels beruhten, die ENIGMA der Marine. Massgebend f u¨ r die Wahl der ENIGMA war unter anderem, dass im Bewegungskrieg und bei der Vermittlung von Meldungen in Gebieten schlechter Infrastruktur nur Funkverkehr m¨oglich war. Die grosse Anzahl an t¨aglich zu u¨ bertragenden Meldungen machte den Einsatz eines automatischen Ger¨ates erforderlich. Die deutschen Systeme wurden von den Aliierten geknackt, wobei Bedienungsfehler oder allzu w¨ortliches Festhalten an Dienstvorschriften den Cryptoanalytikern (auch in den USA) wertvolle Hinweise lieferten. Dazu kam ein nicht gerechtfertigtes Vertrauen in ENIGMA, obwohl von der Truppe starke Zweifel an seiner Sicherheit vorlagen. F¨unfzig Jahre sp¨ater kam ein Vorschlag der USA, alle L¨ander der Erde sollten ihre Schl¨ussel in einer Datei (Clipper Chip) in den USA ablegen. Bislang ist diesem Vorschlag niemand gefolgt. 4.3.3 Kategorien von Schlussel und Codes  In den verschiedenen M¨oglichkeiten der Kategorisierung der Chiffrierverfahren k¨onnen die Schl¨ussel f u¨ r Ver- und Entschl¨usselung folgendermassen sein: i identisch; fu¨ r Ver- und Entschl¨usselung wird derselbe Schl¨ussel verwendet ii invers; das Produkt von Ver- und Entschl¨usselungsschl¨ussel ist gleich 1 iii verschieden; keine der obigen Eigenschaften trifft zu. Chiffrierverfahren, die denselben Schl¨ussel f u¨ r Ver- und Entschl¨usselung verwenden, nennt man symmetrisch, alle anderen asymmetrisch. Die beiden am meisten verbreiteten Chiffrierverfahren sind der DES und das RSA. Der (symmetrische) DES macht die vorherige Verteilung des gemeinsamen (geheimen) Schl¨ussels notwendig, w¨ahrend das (asymmetrische) RSA ohne Verteilung des geheimen Schl¨ussels auskommt. Eine andere Kategorisierung ist in – Block Codes (analog den Block-Codes f u¨ r Fehlerschutz) und – Stream Codes (analog den sequentiellen Codes – Viterbi-Code). 4.3.4 Der Data Encryption Standard DES Der DES Algorithmus wurde 1976 von IBM (New York) entwickelt und von der NSA der USA modifiziert; er ist ein konventioneller Substitutionschiffre (Verw¨urfelungsalgorithmus) mit 16 aufeinander folgenden Substitutionen; die Sicherheit eines Substitutionschiffre w¨achst exponentiell mit der Anzahl der aufeinander folgenden Stufen. Der DES-Schl¨ussel ist 56 bit lang und symmetrisch (derselbe Schl¨ussel wird ¨ f u¨ r Ver- und Entschl¨usselung verwendet), und muss vor der Ubertragung zwischen Sender und Empf¨anger ausgetauscht werden. Mit dem DES alleine ist keine„Digitale Unterschrift“ – und damit keine authentische Kommunikation – m¨oglich.

4.3 Verschl¨usselung

91

¨ Der DES ist heute der am meisten verwendete Chiffre fu¨ r die laufende Ubertragung (nicht f u¨ r den Verbindungsaufbau); er wird auch bei Abonnentenfernsehen (Pay TV ) zur Verschl¨usselung des TV-Bildes eingesetzt. 4.3.5 Das RSA Chiffrierverfahren Ein lang gehegter Wunsch in der Verschl¨usselung war es, keine Schl¨ussel austauschen zu m¨ussen. Der Schl¨ussel des Partners sollte im Telefonbuch stehen. Die Chiffrierer Ronalt Rivest, Adi Shamir und Leonard Adleman am Massachusetts Institute of Technology (MIT) wurden 1977 aufgefordert, zu beweisen, dass dies nicht m¨oglich ist. Stattdessen entwickelten sie ein Transformationsverfahren, einen Fallt¨ur-Agorithmus (Trap Door Cipher), der einfach in eine Richtung gebildet und vergleichsweise schwierig zu reversieren ist und so die Ver¨offentlichung des Schl¨ussels im Telefonbuch erm¨oglicht. Ein sehr versimpliziertes Beispiel ist die Exponierung mit 237; nur mit Bleistift und Papier und Geduld kann man eine 17-stellige Zahl 237 mal mit sich selbst multiplizieren; mit Bleistift und Papier allein zieht man aber nicht einfach die 237ste Wurzel aus einer 4029-stelligen Zahl. Allgemein: Es ist einfach, f u¨ r y = f (x) die Form x = f −1 (y) zu bilden, wohingegen es h¨ochst aufwendig ist, von x = f −1 (y) zu y zur¨uck zu finden. Trotz Kenntnis des o¨ ffentlichen Schl¨ussels e ist es nicht m¨oglich, auf den geheimen Schl¨ussel d = e −1 {mod[(p − 1)(q − 1)]} zu schliessen, da hierzu eine Faktorisierung (Primfaktorzerlegung) von n = p · q beziehungsweise (p − 1) · (q − 1) n¨otig ist:  Der Codebrecher muss die bekannte Zahl n in die beiden sehr grossen Primzahlen p und q faktorisieren. Dies ist f u¨ r sehr grosse Primzahlen n ein zeitaufwendiges Verfahren. Die Rechenzeit steigt mit der L¨ange von n. Der Anwender muss einfach den Schl¨ussel in k¨urzerer Zeit wechseln, als state of the art computing fu¨ r dessen Knacken beansprucht. Wie funktioniert es? Im Gegensatz zum DES ist das RSA-Verfahren ein Blockcode, und es ist asymmetrisch,das heisst,f u¨ r den Schl¨ussel e,mit dem verschl¨usselt wird,und dem geheimen Schl¨ussel d f u¨ r die Entschl¨usselung, gilt: d · e = 1 mod [(p − 1) · (q − 1)]

bzw. d = e−1 {mod n}.

(4.8)

¨ wobei mod = „modulo“ und die Ziffern p und q vom Sender vor der Ubertragung „zuf¨allig“ gew¨ahlte (mindestens 100-stellige) Primzahlen sind. Die zu u¨ bertragende Information M wird in eine ganze Zahl zwischen 0 und n − 1 transponiert, so dass: n=p·q

(4.9)

92

4 Codierung, Chiffrierung, Interleaving, Modulation

Bei numerischen Daten dienen die Ziffern als Zahlen; Zeichendaten k¨onnen Einzelzahlen zugeordnet werden. Buchstaben k¨onnen zum Beispiel durch ihre Positionsziffern im Alphabet wiedergegeben werden (A = 01 . . . Z = 26). Die Information „Aerospace“ f u¨ hrt so zu „01 05 18 15 19 16 01 03 05“. Die Zahl n bestimmt die Gr¨osse ¨ des einzelnen Ubertragungsblocks. Die Verschl¨usselung der Information M mit e und n in den Chiffre C erfolgt nach der Vorschrift C = Me {mod n}.

(4.10a)

Entsprechend erfolgt die Dechiffrierung mit dem geheimen Schl¨ussel, die ganze, positive Zahl d: M = C d {mod n}. (4.10b) F¨ur den geheimen Schl¨ussel d gilt die Forderung (GGT = gr¨osster, gemeinsamer Teiler) GGT{d,[(p − 1) · (q − 1)]} = 1 (4.11) falls sich d,p−1 oder q−1 faktorisieren lassen,gibt es keine gemeinsamen Faktoren. Der Schl¨ussel d ist typischerweise 512 Bit (64 Byte) lang, kann aber linear verl¨angert werden, wodurch sich die Sicherheit exponentiell erh¨oht. F¨ur seine numerische Bestimmung wird ein leistungsf¨ahiger GGT-Algorithmus (extended greatest common denominator algorithm) verwendet. Der Sender bestimmt ausserdem den o¨ ffentlichen Schl¨ussel e und publiziert ihn in einer Art Telefonbuch. Wie lauft es ab? (1) Der Sender A entnimmt B’s o¨ ffentlichen Schl¨ussel e aus dem Telefonbuch, chiffriert damit die Message M zu M e und sendet sie an B; (2) B empf¨angt die chiffrierte Message, wendet seinen geheimen Schl¨ussel d an und erh¨alt damit M e∗d = M 1 = M; (3) Jeder andere, der nicht u¨ ber B’s geheimen Schl¨ussel d verf u¨ gt, kann die verw¨urfelte Message nicht entschl¨usseln; (4) F¨ur die gesch¨utzte Transaktion muss kein Schl¨ussel ausgetauscht werden. 4.3.6 Elektronische Unterschrift Verschl¨usselt A die Nachricht M an B mit seinem geheimen RSA-Schl¨ussel dA , so nennt man dies die digitale Unterschrift. Die Nachricht ist von A unterzeichnet. 4.3.7 Digitale Unterschrift Verschl¨usselt A die Nachricht M an B zuerst mit seinem geheimen Schl¨ussel dA und zus¨atzlich mit dem o¨ ffentlichen Schl¨ussel eB , wird B die empfangene Message zuerst mit seinem geheimen Schl¨ussel dB entw¨urfeln. Im Header der Message wird ihm gesagt, die Nachricht komme (verschl¨usselt) von A.

4.3 Verschl¨usselung

93

B nimmt den o¨ ffentlichen Schl¨ussel eA aus dem Verzeichnis und wendet ihn auf die Nachricht an, um so den Klartext M d∗e = M zu gewinnen. ¨ Auf diese Weise ist nicht nur die Ubertragung durch die zus¨atzliche Verschl¨usselung erh¨oht gesch¨utzt, sondern insbesondere auch f u¨ r B der Beweis erbracht, dass die Nachricht von A ist: Senderidentit¨atsbeweis (Proof of Origin; Message Authentication); nur A hat den geheimen Schl¨ussel dA ,mit dem er die Nachricht verschl¨usseln konnte. ¨ Neben der Authentisierung der Ubertragung wird die Digitale Unterschrift auch zur Sicherung von Akten und abgelegten Dateien verwendet. Setzt man seine Digitale Unterschrift auf einen Datensatz, der abgelegt wird, kann zu einem sp¨ateren Zeitpunkt durch Entschl¨usselung festgestellt werden, dass der Datensatz nicht ver¨andert wurde. Im Kerberos-System werden hierzu umfangreiche Dokumente nicht in G¨anze „unterschrieben“, sondern in gezielten Ausz¨ugen – die ist die Hash-Function. Kerberos ist ein Produkt des MIT fu¨ r die Digitale Unterschrift und Dokumentensicherung; vom MIT stammt auch das RSA. 4.3.8 Steganographie Neben dem Verschl¨usseln (Chryptographie, dem Verschleiern von Daten) steht das Verstecken von Daten (Steganographie). Dies geht auf das i-T¨upfchen der Deutschen Wehrmacht zur¨uck, das eine vielfach verkleinerte Textseite war und in einem Routinedokument unerkannt verschickt wurde. Heute verwendet man Rechnerdateien (U-Boote), Audio und Video f u¨ r Steganographie. Durch Modulation des Least Significant Bit eines Audiosignals kann, u¨ ber Zeit, beliebig viel Information u¨ bermittelt werden, ohne Ver¨anderung des Signals, und das menschliche Ohr h¨ort den Unterschied nicht. Im Video moduliert man das Least Significant Bit der Helligkeitskomponente. Bei 256 Helligkeitsstufen,also 8 Bit f u¨ r die Helligkeit,plus je 8 Bit f¨ur Rot/Gr¨un/ Blau kann auch im Video beliebig viel Information,f u¨ r das menschliche Auge unsichtbar, versteckt werden.G¨angige Steganographie-Programme sind Steganos,Hide & Seek, StegoDos etc. 4.3.9 Schlusselgebrauchsdauer und Schlusselaustausch Die Lebensdauer eines Schl¨ussels darf die f u¨ r sein Knacken (mit modernsten Rechnern) notwendige Zeitdauer nicht u¨ bersteigen. Da die rechnergest¨utzte Generierung von Schl¨usseln beliebig einfach ist,sollten Schl¨ussel sinnvoll frequent erneuert werden. Der h¨ochstm¨ogliche Schutz wird dann erreicht, wenn der Schl¨ussel nach jeder ¨ Ubertragung ausgewechselt wird. Diese Einmalverwendung (One Time Pad) ist das Antipodal zur monatelangen Verwendung desselben Schl¨ussels. Der Schl¨usselaustausch zwischen den Partnern einer Verbindung muss ge¨ sch¨utzt erfolgen, um die nachfolgende Ubertragung nicht zu gef¨ahrden; sie sollte deshalb, wenn m¨oglich, nicht u¨ ber die Strecke get¨atigt werden, u¨ ber die dann die

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4 Codierung, Chiffrierung, Interleaving, Modulation

¨ Ubertragung abgewickelt wird. Wenn kein sicherer Kanal zur Verf u¨ gung steht, gibt es Verfahren, die dennoch den sicheren Austausch der Schl¨ussel erm¨oglichen – wie zum Beispiel das in Abb. 4.6 skizzierte: (a)

(b)

Abb. 4.6 (a) Der sichere Schl¨usselaustausch u¨ ber unsichere Kan¨ale (ikonische Darstellung), (b) der sichere Schl¨usselaustausch u¨ ber unsichere Kan¨ale (algebraische Form)

(1) A legt seinen Schl¨ussel „A“ in die Truhe, sperrt sie mit seinem Schl¨ussel „A“ zu und schickt sie an B, (2) B kann die Truhe nicht o¨ ffnen; was ihm bleibt, ist die Truhe mit seinem Schl¨ussel „B“ zus¨atzlich zu verschliessen und sie an A zur¨uck zu senden, (3) Nun kann A sein Schloss „A“ abnehmen und die Truhe – immer noch mit dem Schloss „B“ verschlossen – sicher an B schicken, (4) Nach Erhalt, wird nun B sein Schloss mit seinem Schl¨ussel „B“ entfernen, die Truhe o¨ ffnen, den Schl¨ussel „A“ entnehmen und an A verschl¨usselte Informationen senden. Das Difˇe-Hellman-Key Exchange Das von W. Diffie und M. Hellman 1976 entwickelte Verfahren zur Erzeugung eines gemeinsamen Schl¨ussels funktioniert wie folgt: Man bestimmt eine grosse Primzahl p mit > 100 Dezimalstellen, also von der Gr¨ossenordnung 10100 beziehungsweise 2332 (mit z.B. 256 bit) und eine teilerfremde Zahl s > p. Weiterhin w¨ahlen A die Zufallszahlen a < p und B die b < p. Dann, A: ˛ = sa {mod p} und sendet es an B K = ˇ ˛ {mod p} = sb∗a {mod p}

B: ˇ = sb {mod p} und schickt es an A K = ˛ ˇ {mod p} = sa∗b {mod p}.

4.3 Verschl¨usselung

95

Die Partner haben den gemeinsamen Schl¨ussel K bestimmt. Die geheimen Zahlen a ¨ und b wurden nicht der Ubertragung ausgesetzt – nur ˛ und ˇ.So lange A und B ihre Geheimzahlen a und b nach der Ermittlung von K unwiederbringbar l¨oschen, muss nur noch der gemeinsame, symmetrische Schl¨ussel K sicher gehandhabt werden. Der Schutz des Diffie-Hellman Key Exchange beruht auf der numerischen Schwierigkeit, diskrete Logarithmen in endlichen Primk¨orpern zu berechnen, aus ˛ oder ˇ die Zufallszahlen a und b zu berechnen, und daraus dann den Schl¨ussel K. Der Codebrecher muss sowohl den diskreten Logarithmus p finden, um mit s p = a{mod p} die Geheimzahl a zu bestimmen, und durch den diskreten Logarithmus y f u¨ r die Bestimmung von b, um K = sa∗b {mod p} zu berechnen. 4.3.10 Verschlusselung im Mobilfunk Der GSM-Mobilfunk, wie auch GlobalStar, sind Beispiele f u¨ r die Verschl¨usselung mit RSA. Diese Netze benutzen einen Teilnehmerschl¨ussel „Ki“ (Key individual), der auf dem Mikrochip der Subscriber Identity Module (SIM Karte) des D-Handys „eingebrannt“ ist, also nie wieder aus der Karte ausgelesen werden kann, ohne sie zu zerst¨oren. Dieser Secret Key ist 128 Bit lang (eine 40-stellige Dezimalzahl) und sch¨utzt vor Geb¨uhrenmissbrauch durch Hacker. W¨ahlt der Teilnehmer an, pr¨uft die Netzwerkkontrolle seine Identit¨at durch ¨ Ubersendung einer beliebigen Kennungsnachricht zum Handy beziehungsweise zur SIM-Karte, die willk¨urlich generierte Zufallszahl RAND (ebenfalls 128 bit lang), die mit dem o¨ ffentlichen Schl¨ussel des durch die Rufnummer identifizierten Teilnehmers chiffriert ist. Das Handy dechiffriert die Kennungsnachricht „SRES“ mit seinem geheimen Schl¨ussel (und dem RSA A3/A8-Algorithmus) und sendet die entschl¨usselte Kennungsnachricht zur Netzkontrolle zur¨uck. Stimmt sie, wird der Sprechkreis freigegeben. Die Kennungsnachricht ist bei jeder Gespr¨achsanmeldung eine andere, so dass das Mith¨oren dieses Vorganges keine verwertbaren Erkenntnisse f u¨ r den Hacker bringt. Selbst der o¨ ffentliche Schl¨ussel des Teilnehmers wird von den Netzbetreibern geheim gehalten. Die beiden sicherheitsrelevanten Daten, der geheime und der o¨ ffentliche Schl¨ussel, werden zu keiner Zeit u¨ ber das Netz u¨ bertragen. Den „Ki“ zu knacken bedeutet, eine 128 bit lange Bin¨arzahl aus 3,4 1038 m¨oglichen Kombinationen zu finden. Diese Sicherheit besteht jedoch nur auf der Strecke von und zum GSMFunkturm (bzw.) GlobalStar-Gateway.Von dort wird das Gespr¨ach unverschl¨usselt im o¨ ffentlichen W¨ahlnetz zum Ziel geleitet und kann auf dem Weg dorthin abgeh¨ort werden.Es gibt aber auch GSM-Handys,die End-to-End verschl¨usseln.Nach Aufbau der Verbindung wird auf Knopfdruck die zus¨atzliche Verschl¨usselung aktiviert.  4.3.11 Gesetzliche Uberwachung Gerade in demokratischen L¨andern darf der Staat (die Staatsanwaltschaft) unter definierten Voraussetzungen den Post- und Fernmeldeverkehr mit expliziter gerichtlicher Verf u¨ gung einsehen (Legal Interception). In der Deutschland ist dies

96

4 Codierung, Chiffrierung, Interleaving, Modulation ¨ Tabelle 4.3 Faktoren, Themen und Aspekte der gesch¨utzten Ubertragung

Faktor Nutzer

Nachricht

¨ Ubertragung

Netz

Thema Authentification

Inhalt Der Beweis, dass die Nachricht von einer identifizierten und authentifizierten Person kommt (Proof of Origin)

Authorization

Autorisierung der Dienstenutzung eines Netzes: Kein unautorisiertes Absenden von Daten – selbst von autorisierten Personen

Certification

der Nutzer und der Schl¨ussel werden von einer Betreiberorganisation zertifiziert

Integrity

Unversehrtheit der Nachricht: Keine Korruption der Daten

Privacy

Verschwiegenheit: die Vertraulichkeit des Inhaltes der Nachricht muss gegen Abh¨oren bewahrt werden

Non-Repudiation

Nicht-Leugnung: Der Beweis f¨ur den Sender, dass der Empf¨anger die Nachricht erhalten hat

Confirmation

Empfangsbest¨atigung vom Empf¨anger, so dass keine Wiederholsendung passieren kann – unabsichtlich oder b¨oswillig

Traceability

¨ Verfolgbarkeit und Nachverfolgbarkeit der Ubertragung

Auditability

¨ ¨ Uberwachund Buchhaltbarkeit der Ubertragung

Service Availability

Verf¨ugbarkeit des Kommunikationsdienstes

Security

Sicherheit des Kommunikationsdienstes; keine St¨orung im Netz

im Gesetz zu Artikel 10 des Grundgesetzes, dem so genannten „G-10 Gesetz“, verankert. Der RSA-Algorithmus schien am Anfang – im Gegensatz zum DES – zu sicher, drohte Strafverfolgern dieses Instrument aus der Hand zu nehmen. Durch den Lizensierungszwang wird sichergestellt, dass die RSA-Sicherheit nur im legalen Umfeld Einsatz findet. 4.3.12 Zusammenfassung zur Verschlusselung  Die Verschl¨usselung der Kommunikation im zivilen wie im milit¨arischen Umfeld, in der Gesch¨aftswelt wie im privaten Bereich, ist sinnvoll und notwendig. Schl¨ussel k¨onnen umso leichter geknackt werden, je mehr verschl¨usselter Text verf u¨ gbar ist (je l¨anger der Schl¨ussel im Gebrauch bleibt), je mehr Information u¨ ber den Klartext bekannt ist (Galileo-Positionsinformation zu verschl¨usseln w¨are von begrenzter N¨utzlichkeit, da der Klartext, die Koordinaten, mit alternativen Sys-

4.4 Multiplexing

97

temen in Erfahrung gebracht werden k¨onnen) und je leistungsf¨ahiger der Rechner des Knackers ist. Der letzte Punkt macht es von Jahr zu Jahr mit der fortschreitenden Leistungsf¨ahigkeit auch kleiner Rechner schwerer, Information zu sch¨utzen. Ein Verschl¨usselungsverfahren, das heute noch als sicher gilt, kann in ein bis zwei Jahren schon mit einem g¨angigen Notebook geknackt werden. Man ist gezwungen,dieVerschl¨usselungsverfahren st¨andig fortzuschreiben.Das Problem dabei ist nicht die Konstruktion besserer Verschl¨usselungsverfahren, sondern deren Installation bei den Nutzern und die Akzeptanz der Nutzer, sich st¨andig neue Verfahren installieren zu lassen und zu verwenden. Ein Verschl¨usselungsverfahren in einer Firma oder Firmengruppe ist nur n¨utzlich, wenn alle Gegenstellen es eingerichtet haben und auch benutzen.

4.4 Multiplexing Multiplexverfahren und Vielfachzugriff fu¨ hren zu sehr a¨ hnlichen Abk¨urzungen (z.B. FDM und FDMA), sind aber verschiedene Vorg¨ange. Beim Multiplexing sind die Signale (z.B. FDM) im Basisband geb¨undelter; beim Vielfachzugriff der einzelnen Teilnehmer (z.B. FDMA) werden die Hochfrequenztr¨ager in der Frequenz gestaffelt (sieh Kap. 6). Sowohl B¨undelung als auch Vielfachzugriff-B¨undelung k¨onnen in der Frequenz (F), in der Zeit (T) oder im Code ( C) stattfinden. 4.4.1 Das Frequenzbundelungsverfahren FDM  Im Frequency Division Multiplex (FDM; auch Frequency Division Duplex (FDD)) werden Einzelsignale auf einen Basisbandtr¨ager geb¨undelt (gemultiplext), dieser moduliert und in die Hochfrequenz umgesetzt.Die Signale sind analog oder digital; ihre Modulation kann analog (zum Beispiel FM) oder digital (nach Analog/DigitalWandlung) sein. FDM spielt jedoch vorwiegend in analogen Systemen (wie zum Beispiel bei INTELSAT und INTERSPUTNIK) eine dominierende Rolle, wird aber in neueren Systemen von TDM verdr¨angt. FDM, COFDM, OFDMA, OFHMA Im Allgemeinen (FDM bzw. Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex (COFDM), Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) und Orthogonal Frequency Hopping Multiple Access (OFHMA)) werden digital modulierte Einzeltr¨ager (SCPC) so a¨quidistant OFDM frequenzgestaffelt, dass ihre Kanalseparation ihrer normalisierten Bitrate (BR) entspricht: 100 kHz Staffelung f u¨ r 100 kbit/s Tr¨ager bei BPSK bzw. 50 kHz Staffelung fu¨ r 100 kbit/s Tr¨ager bei QPSK; die Bandbreite ist: BR BW = (4.12) lg2 (Anzahl der Phasenzust¨ande)

98

4 Codierung, Chiffrierung, Interleaving, Modulation

Die Spektrumsnebenkeulen fallen in die Nullstellen des Frequenzspektrums (sie sind orthogonal zu ihnen). Hinzu kommt, dass die digitalen Tr¨ager st¨orresistenter als analoge Tr¨ager sind. Orthogonale Polarisationen in benachbarten Frequenzen erh¨ohen den St¨orabstand. Mit zum Beispiel der Rate 1/2 Codierung und Interleaving kann die Bitfehlerrate reduziert werden. Bei COFDM wird zus¨atzlich das einzelne Signal u¨ ber die Summe der Frequenzen h¨upfen, damit Mehrwegeeffekte, die einzelne Frequenzen ausl¨oschen k¨onnen, gemindert werden – ein FDM/FH-Verfahren. Im Gegensatz zu herk¨ommlichem FDMA mit starren Tr¨agerfrequenzen, h¨upfen die einzelnen Tr¨ager – nach einem vorgegebenen Code, daher „Coded. . .“. So wird zum Beispiel digitaler (Satelliten-) H¨orrundfunk (DAB-EUREKA-147) abgestrahlt.Beim DECT,das in COFDM arbeitet,sind es 90 Frequenzen, u¨ ber die das laufende Gespr¨ach h¨upft und die jeweils beste aussucht. Bei DAB ist es 1,536 MHz bei 1,5 GHz, also 1‰ der Wellenl¨ange – nicht hinreichend, um Mehrwegeeffekte zu eliminieren; hierzu w¨aren etwa 25% Versatz der Wellenl¨ange notwendig. Es werden zum Beispiel in 1,536 MHz 192 Tr¨ager benutzt,deren Abstand der Bitrate des Einzeltr¨agers (12 kbit/s) entspricht (Orthogonalit¨at).Die Gesamtbitrate ist 192·12 = 2,3 Mbit/s. Der Vorteil des COFDM gegen¨uber einem in TDM gefassten Gesamt-Bitstrom ist, dass der Empf¨anger schmalbandig immer nur einen Tr¨ager (1/192 aller Programme) empfangen k¨onnen muss. Allerdings muss er microsekunden-schnell durch das Spektrum h¨upfen und einen Schmalbandtr¨ager nach dem anderen akquirieren. Um die Demodulation des u¨ ber die Frequenz h¨upfenden Tr¨agers zu erleichtern, wird differentielles QPSK (DQPSK; keine Tr¨ageraufbereitung) eingesetzt. Zur verbesserten Separierung aufeinander folgender Datenb¨undel l¨asst man einen zeitlichen Schutzabstand von 20%. Damit liegt die Spektrumsnutzungseffizienz bei 80%, und da beide Polarisationen belegt werden, sind es 40%. Zur h¨oheren Separierung benachbarter Kan¨ale sind sie in orthogonaler Polarisation. Damit wird die Effizienz der Spektrumsnutzung von 2 (bit/s)/Hz auf 1 (bit/s)/Hz reduziert, abz¨uglich des zeitlichen Schutzabstandes von 20% schliesslich auf 0,8 (bit/s)/Hz. Ein Vorteil ist die durch das Frequency Hopping (FH, im Verbund mit Interleaving und Codierung) erzielte Resistenz gegen Mehrwegeeffekte. Der Nachteil von FDM liegt in der Intermodulation der Einzeltr¨ager. In der terrestrischen Anwendung lassen sich grosse Backoffs realisieren. In Satellitenanwendungen sind grosse Backoffs kostspielig. Auch wird mit COFDM keine h¨ohere Spektrumsnutzungseffizienz als mit gew¨ohnlichem QPSK erreicht (0,8 (bit/s)/Hz). Ob der Empfang eines koh¨arent durchlaufenden Bitstroms hoher Rate oder die rapide Folge von frequenzversetzten Einzelb¨undeln leichter zu realisieren ist, h¨angt vom Empf¨angerdesign und von den St¨uckzahlen ab. OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access),Vielfachzugriff nach dem Coded-Orthogonal-Verfahren, wird auch in WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) eingesetzt, ein terrestrisches Funknetz nach dem IEEE

4.5 Kanalcodierung

99

802.16 Standard. Dort wird mit 256 PSK moduliert, so dass 108 Mbit/s in 28 MHz u¨ bertragen werden k¨onnen. 4.4.2 Das Zeitbundelungsverfahren TDM  Im Zeitmultiplex Time Division Multiplex (TDM; auch Time Division Duplex (TDD)) werden Einzelsignale in Zeitschlitzen auf einem Hochfrequenztr¨ager angeordnet. TDM ist das Pendant zum TDMA-Verfahren, bei dem jedes Einzelsignal von einem anderen Sender kommt. TDM ist TDMA im Durchsatz u¨ berlegen, da die von nur einer Station auf den Tr¨ager modulierten Zeitsignale im Gegensatz zu TDMA keinen Schutzabstand zwischen aufeinander folgenden Zeitschlitzen ben¨otigen. ¨ So ben¨otigt bei INMARSAT das Outbound-TDM eine Ubertragungsrate von 1,2 kbit/s (f u¨ r 22 Zeitschlitze a` 50 bit/s) w¨ahrend das Inbound-TDMA 4,8 kbit/s einnimmt, also 25% Wirkungsgrad relativ zu TDM); hier l¨asst der Signallaufzeitschutzabstand gleichzeitig Nutzer im Subsatellitenpunkt (35 780 km) und am Erdrand (41 680 km) zu; der Laufzeitunterschied betr¨agt 16,5% oder 20 ms. TDM ist wesentlich einfacher zu empfangen als TDMA, bei dem der Rahmen in jedem Zeitschlitz neu akquiriert werden muss, in Frequenz, Phase, Bittakt und Rahmenformat. Dies f u¨ hrt zu h¨oheren Kosten beim Empf¨anger. Deshalb verwendet man in Netzen mit einer grossen Zahl von Empf¨angern, wenn immer m¨oglich, TDM. Dies wird im Rundfunk von Ton- und Fernsehprogrammen so gemacht. Wie kann der Satellit einzelne, von geographisch verstreuten Studios gesendete Programme in TDM abstrahlen? Man sendet sie im TDMA zum Satelliten und setzt sie an Bord um (On Board Processing; OBP), so dass sie im TDM abgestrahlt werden k¨onnen. 4.4.3 Das Codebundelungsverfahren CDM  In Analogie zu TDM und FDM k¨onnten Signale im Code Division Multiplex (CDM) ¨ im Basisband u¨ berlagert werden, das dann f u¨ r die Ubertragung moduliert w¨urde. Hierzu m¨ussten die Signale bandgespreizt werden – typischerweise um einen Faktor 103 bis 106. Damit w¨urde die ben¨otigte Hochfrequenzbandbreite um 103 bis 106 gr¨osser. Diesem Bandbreitenanspruch st¨unde jedoch kein Systemgewinn gegen¨uber. Eine Ausnahme sind wohl die Navigationssignale bei GPS und Galileo, die zwei Codes (C/A und P bei GPS) im Basisband (in der Tonfrequenz) u¨ berlagern.

4.5 Kanalcodierung Die N¨utzlichkeit der Codierung f u¨ r Fehlerschutz ist bekannt. Gerade bei Satellitenstrecken mit ihrem sehr langen Weg durch die Atmosph¨are ist Fehlerschutz sinnvoll. Daneben ist Datenschutz prinzipiell ratsam. Im Gegensatz zu Datenschutz fordert

100

4 Codierung, Chiffrierung, Interleaving, Modulation

Fehlerschutz zus¨atzliche Code-Bit, so dass aus n Nutz-Bit m Gesamt-Bit werden; die Code-Rate cr ist definiert als: cr =

n . m

(4.13)

BER = Anzahl der Nutzbit/Anzahl der Gesamtbit

(4.14)

ist die Bitfehlerrate (Bit Error Rate). Im Mobilfunk und Gesch¨aftsverkehr ist die Effizienz von Codierverfahren unterschiedlich: Beim Mobilkanal wird durch Codierung mit 33% zus¨atzlichen Bit eine Verbesserung von > 10 dB erreicht, bei BER = 10−4 Bitfehlerrate (s. Abb. 4.8), was ohne Codierung nur mit um >10 dB h¨oherer Leistung erreicht w¨urde. Der f u¨ r die jeweilige Anwendung zutreffende Code-Gewinn ist im Allgemeinen sehr von der Eingangsbitfehlerrate abh¨angig (s. Abb. 5.6); ein durchschnittlicher Code-Gewinn cg (CG in dB) als Funktion der Code-Rate cr = n/m kann approximiert werden mit der Form CG = 3 dB − 10 log(cr)

Abb.4.7 Codierung im Mobilfunk mit 33% Codebit

f u¨ r

cr < 1.

(4.15)

Abb. 4.8 Reed-Solomon-Codierung mit 4,7% Codebit

Der in Abb. 4.7 gezeigte Convolutional Code/Viterbi Decodierung bringt substantielle Verbesserung der Bitfehlerrate im Mobilfunk. Neuere Codes dieser Art in der Vectorcoding-Familie produzieren bis zu 10 dB Codiergewinn bei Rate 1/2 und BER = 10−12. Abbildung 4.8 zeigt einen Reed-Solomon Block-Code mit m = 255, n = 243 fu¨ r die Gesch¨aftskommunikation. Er produziert mit nur 4,7% zus¨atzlichen Bit (cr = 20/21) eine Fehlerverbesserung von 3 10−4 auf 1 10−8 , was ohne Codierung ≈ 4 dB mehr Sendeleistung erfordern w¨urde. Damit ergeben sich die folgenden Code-Gewinne als Funktion der Code-Rate cr, noch ohne Vectorcoding:

4.5 Kanalcodierung

101

Tabelle 4.4 Typische Code-Gewinne (QPSK mit BER = 10−5 ) gegen Code-Rate7 Code-Rate cr = n/m Bitratenerh¨ohung8 Uncodiertes Eb − No Codiertes Eb − No Codegewinn CG

1/1 0,0 dB 9,6 dB 9,6 dB 0,0 dB

15/16 0,3 dB 9,6 dB 6,3 dB 3,3 dB

7/8 0,6 dB 9,6 dB 6,0 dB 3,6 dB

5/6 0,8 dB 9,6 dB 5,8 dB 3,8 dB

3/3

1,2 dB 9,6 dB 5,5 dB 4,2 dB

2/3 1,8 dB 9,6 dB 4,8 dB 4,8 dB

1/2 3,0 dB 9,6 dB 3,6 dB 6,0 dB

Block Codes Mit n Bit k¨onnen n! Code-W¨orter generiert werden (n Zeichen k¨onnen in n! Permutationen angeordnet werden). Man benutzt aber nur eine Untermenge aller Code-W¨orter, so dass sie sich in x Bit voneinander unterscheiden – die HammingDistanz zweier Code-W¨orter. Fehlerhaft empfangene W¨orter werden dem CodeWort kleinster Hamming-Distanz zugeordnet. Wenn sich die Code-W¨orter um nur ein Bit unterscheiden w¨urden, w¨urde der Fehler von einem Bit zur Fehlinterpretation eines anderen Code-Worts f u¨ hren. Wenn sich die Code-W¨orter um zwei Bit unterscheiden, kann der Fehler von einem Bit festgestellt werden, aber nicht korrigiert werden, da die zwei benachbarten Code-W¨orter wahrscheinlich gleich sind (gleiche Hamming-Distanz haben). Mit drei Bit Unterschied zwischen den Code-W¨orter kann ein Fehler von einem Bit detektiert und korrigiert werden. Ist zum Beispiel das empfangene Code-Wort das n¨achstliegende Code-Wort das entferntere Code-Wort

01 00 01 1, 01 01 01 1, und 01 01 00 0, dann

wird der Decoder das n¨achstliegende Code-Wort w¨ahlen, weil es die kleinere Hamming-Distanz zum empfangenen Code-Wort als das entferntere Code-Wort aufweist. Man nimmt an, dass es wahrscheinlicher ist, das ein Bit falsch war, als dass zwei Bit falsch waren. Mit vier Bit Unterschied zwischen den Code-W¨ortern kann ebenfalls ein Bit korrigiert und ein Fehler von zwei Bit detektiert werden. Zusammenfassend: 1 Bit Unterschied, 0 Fehl-Bit feststellen, 0 Fehl-Bit korrigieren 2 Bit Unterschied, 1 Fehl-Bit feststellen, 0 Fehl-Bit korrigieren 3 Bit Unterschied, 1 Fehl-Bit feststellen, 1 Fehl-Bit korrigieren 4 Bit Unterschied, 2 Fehl-Bit feststellen, 1 Fehl-Bit korrigieren 5 Bit Unterschied, 2 Fehl-Bit feststellen, 2 Fehl-Bit korrigieren 6 Bit Unterschied, 3 Fehl-Bit feststellen, 2 Fehl-Bit korrigieren usw. Man w¨ahlt ein Codierverfahren mit einer ungeradzahligen Anzahl von n Bit, das dann (n − 1)/2 bit korrigieren kann, oder das n¨achst h¨ohere Verfahren, das auch 7 8

nach EBU DT/III-C’93 und damit Erweiterung der ben¨otigten Bandbreite

102

4 Codierung, Chiffrierung, Interleaving, Modulation

nur (n − 1)/2 bit korrigieren, aber n/2 Fehl-Bit detektieren und an ein ARQ System ¨ zur nochmaligen Ubertragung melden kann. So werden bei der Block-Codierung die empfangenen Daten in einen Block (das Code-Wort) eingelesen und verarbeitet; das erste decodierte Bit erscheint nach einer Verz¨ogerung entsprechend der Einlesedauer.

Sequentielle Codes, Convolutional Coding, Viterbi Decoding Wie bei den Block-Codes der empfangene Block mit den zul¨assigen Code-W¨ortern verglichen und dasjenige ausgew¨ahlt wird, das in den wenigsten Bits vom Empfangswort abweicht (es gibt eine endliche Zahl von zul¨assigen Code-W¨ortern), hat das Zustandsgitterwerk (Trellis; s. Abb. 4.9) der sequentiellen Codierung (Convolutional Encoding) nur eine endliche Anzahl von zul¨assigen Pfaden; der Viterbi-Decoder ordnet die fehlerhaft empfangene Sequenz dem n¨achstliegenden, zul¨assigen (in der kleinsten Anzahl von Bit abweichenden) Pfad zu, sequentiell, Bit f u¨ r Bit). Der Faltungscode (Convolutional Encoding) pr¨agt der Bitfolge also eine Signatur auf, eine endliche Anzahl von zul¨assigen Pfaden durch das Trellis (Zustandsgitterwerk). Im folgenden Fallbeispiel (s. Abb. 4.9) gibt es beispielsweise keine Pfade von Ebene 3 zu Ebene 1, von Ebene 3 zu Ebene 4 etc. Es sind immer nur zwei von vier Pfaden von jedem Zustand zum n¨achsten m¨oglich. DerViterbi-Algoritmus korrigiert die fehlerhafte Empfangsbitfolge durchWahrscheinlichkeitsmaximierung (Maximum Likelihood Decoding) und findet den Pfad durch das Trellis auf der Basis der kleinsten Anzahl von Fehlbit (Minimum Distance Decoding). Da Maximum Likelihood und Minimum Distances fu¨ r den bin¨aren symmetrischen Kanal identisch sind, kann der Convolutional Code (Faltungscode) durch den Pfad kleinster Abweichungen dargestellt werden. Zustand t1

t2

t3

t4

t5

t6

00

00

00

00

00

11

11

11

11

11

11

10

11

00

11

00

00

00

10

10

10

01

11 01

01 01

01 01

01 01

10

10

10

10

Abb. 4.9 Das Zustandsgitterwerk (Trellis) der sequentiellen Codierung

4.5 Kanalcodierung

103

Bei der sequentiellen Codierung (Faltungscodierung) werden die Nutzbit mit Codebit gefaltet. Im Bild sind die Daten

10110

gefaltet zu empfangen wird

11 10 11 00 11; 11 10 10 00 11.

Der Weg durch das Trellis f u¨ hrt zum Zeitpunkt t2 zur Ebene 2 (e2 ), dann zur Ebene 3 (e3 ) zum Zeitpunkt t3 , dann zur¨uck zur Ebene 1 (e1 ) zum Zeitpunkt t4 , bleibt auf Ebene 1 (e1) zum Zeitpunkt t5 und schliesslich zur Ebene 2 (e2 ) zum Zeitpunkt t6 . Dieser Pfad beinhaltet, trotz des dritten Wegabschnitts nach Ebene 1 anstatt zur Ebene 2, nur einen Bit-Fehler, w¨ahrend die Alternative zum Zeitpunkt t3 , zur Ebene 2 zu gehen, am Ende 3 Bit-Fehler beinhalten w¨urde. So wird die Entscheidung in t4 erst nach Sichtung von t6 getroffen; auch der sequentielle Code hat, a¨ hnlich dem Block-Code, eine Verz¨ogerung. Der L¨ange beim Block-Code entspricht die so genannte Verflechtungsl¨ange (Constraint Length) beim Sequentiellen Code,die Anzahl der Symbole,die abgewartet werden,damit sie auf die aktuelle Zuordnung einwirken k¨onnen, um die das Signal verz¨ogert wird. Kaskadierte Codierung Es ist m¨oglich, mehrere Codes in Serie anzuordnen und damit den Gesamtcodegewinn zu erh¨ohen. Da zum Beispiel der Reed-Solomon-Code f u¨ r grosse Bitfehlerraten kaum einen Gewinn erzielt (f u¨ r die Eingangsbitfehlerrate 10−2 ist BERout = 10−2 , keine Verbesserung; s. Abb. 4.9), f u¨ r geringe BERin jedoch enorme Gewinne liefert (bei BERin = 10−4 wird BERout = 10−11 ), codiert man Signale hoher Fehlerrate zuerst mit einem robusten Viterbi Rate 1/2 Code, der das Signal auf zum Beispiel 10−4 anreichert und folgt mit einem „7/8 Reed-Solomon“ Blockcode. Abbildung 4.10 zeigt die Konzeption von innerem und a¨ usserem Code und Interleaver und Abb. 4.11 das prinzipielle Blockschaltbild. Die Bezeichnung innerer ¨ Code wird vom Ubertragungskanal aus gesehen. Noch vor dem (inneren) „cr =

Abb. 4.10 Das Konzept Daten, innerer Code/¨ausserer Code/Interleaver

Abb. 4.11 Blockschaltbild des inneren und a¨usseren Code-Konzepts

104

4 Codierung, Chiffrierung, Interleaving, Modulation

1/2 Code“ schaltet man einen Blockverschachteler (Interleaver); oft ist auch ein Blockverschachteler zwischen innerem und a¨ usserem Code eingef u¨ gt. Abbildung 4.12 zeigt die Leistung marktverf u¨ gbarer Concatenated Coders fu¨ r mittlere Datenraten (Intemediate Data Rates; IDR). Mit Eb − No = 4 dB werden BERout = 10−8 erreicht. Der Gesamt-Code-Gewinn CG betr¨agt Eb − No = 12 dB − CG = 4 dB, also CG = 8 dB.

Abb. 4.12 Ausgangsbitfehlerrate BERout gegen Eb − No f¨ur einfache u. kaskadierte Codierung

Stand der Entwicklung Die Codiertheoretiker haben in den Siebzigerjahren vergeblich nach dem Universalcode gesucht, der sowohl Rice Fadings, wie sie im Mobilfunk auftreten, als auch das Gaussische Rauschen im Festfunk bek¨ampft. Sie haben dann in den Achzigerjahren die Kaskadierung von Viterbi Codes (gegen Rice Fadings) und Reed Solomon Codes (gegen Gaussisches Rauschen) eingef u¨ hrt, die wir noch heute anwenden. Ende der Neunzigerjahre kam dann der TurboCode, der noch h¨ohere „Code Gains“ verspricht als die Kaskadierung von Viterbi und Reed Solomon Codes, allerdings prozessor- und zeitaufwendiger ist. Da Prozessoraufwand heute kein Thema mehr ist (die Prozessoren werden immer leistungsf¨ahiger und gleichzeitig billiger), ist das zweifelsfrei die Zukunft. Turbo Coding Mit dem Begriff Turbo Coding kam 1993 (Claude Berrou und Alain Glavieux) der Durchbruch zur deutlich verst¨arkten Verarbeitung sowohl von Block-Codes wie auch Sequentiellen Codes in multiplen Stufen, mit denen sich ungleich h¨ohere Codiergewinne erzielen lassen (bis zu 10 dB, bis an das Claude Shannon Limit) f u¨ r den Preis der Verarbeitungszeit, und diese reduziert sich von Prozessorgeneration zu Prozessorgeneration. Turbo Coding beruht auf dem Prinzip der Maximum A Posteriori (MAP) Wahrscheinlichkeit – was war die wahrscheinlichste Quell-Information.

4.6 Blockverschachtelung

105

4.6 Blockverschachtelung ¨ Codierung erm¨oglicht die Korrektur einer Anzahl von Ubertragungsfehlern. Dar¨uber hinaus kann die Existenz weiterer Fehler aufgezeigt werden, ohne dass sie jedoch korrigiert werden k¨onnen. Dabei sind die Codierverfahren umso leistungsf¨ahiger je homogener die Fehler verteilt sind.Es f¨allt schwer,viele aufeinander folgende Fehler zu korrigieren. Lange Sequenzen falscher Bit k¨onnen mit dem Blockverschachteler (Interleaver) korrigiert werden. Diese Art von Fehler tritt h¨aufig im Mobilfunk auf. Wenn ein Fahrzeug eine Unterf u¨ hrung durchf¨ahrt oder eine Seenotboje von einer grossen Welle abgeschattet wird, sind viele Bit falsch. Der Interleaver besteht aus einem Speicher von n Zeilen und n Spalten, in den ¨ das zu u¨ bertragende Signal zeilenweise eingelesen wird. Zur Ubertragung wird es dann spaltenweise ausgelesen. Empfangsseitig wird das Signal in einen Speicher identischer Struktur spaltenweise eingelesen,um zeilenweise ausgelesen zu werden. Seine urspr¨ungliche Form ist wieder hergestellt (s. Abb. 4.13). Eingang

FECin

FECout senden

empfangen

Ausgang

Abb. 4.13 Der Blockverschachteler

Ein B¨undelfehler, der zum Beispiel eine komplette Spalte zerst¨ort (n aufeinander folgende Fehler), streut nach der Spalten/Zeilen-Konversion auf je einen Fehler pro Zeile, der einfach korrigiert werden kann. So k¨onnen B¨undelfehler grosser L¨ange korrigiert werden. Der Preis daf u¨ r ist die Zeitverz¨ogerung, verursacht durch das Einlesen des Sende- und Auslesen des Empfangsspeichers.Will man n aufeinanderfolgende Fehler korrigieren, betr¨agt die Zeitverz¨ogerung  bei die Bitrate BR =

2n2 . BR

(4.16)

Dauert die Durchfahrung einer je dreispurigen Autobahn zum Beispiel  = 1,44 s, √ dann muss mit BR = 2 Mbit/s das n = 1,44 Mbit/s = 1,2 kbit (der CD-Interleaver hat n = 1,2 kbit). Die Methode wird beim digitalen Satellitenh¨orrundfunk, der Compact Disc (CD) und schon fr¨uher bei der magnetischen Aufzeichnung von Bild und Ton verwendet.

106

4 Codierung, Chiffrierung, Interleaving, Modulation

Kombination von Codierung und Interleaving Um die extrem hohe Qualit¨at einer CD und ihren Erhalt auf Jahrzehnte zu erm¨oglichen, ist die Information zweifach codiert und dreifach blockverschachtelt; die Kaskade von Codier- und Interleaveprozessen ist in Abb. 4.14 dargestellt: 1. -De-Interleaving: geradzahlige Bytes eines Rahmens werden mit den ungeradzahligen des n¨achsten Rahmens zur Korrektur zufallsverteilter Byte-Fehler und Detektion l¨angerer B¨undel-Fehler vertauscht; 2. 28/32-Byte Reed-Solomon C1-Code: zur haupts¨achlichen Fehlerkorrektur wurden nochmals 4 Byte hinzugef u¨ gt; 3. ∗ -De-Interleaving der Bytes: Verteilung der Fehler u¨ ber mehrere Codew¨orter; damit k¨onnen B¨undelfehler korrigiert werden, die der Reed-Solomon Code nicht korrigieren kann; 4. 24/28 Byte C2-Parity-Decodierung: 24 Byte sind 4 Parity-Byte zur Fehlerkorrektur beigef u¨ gt; 5. -De-Interleaving: Geradzahlige Wertepaare L/R werden von ungeradzahligen separiert, um detektier-, aber unkorrigierbare Fehler durch Interpolation zu verschleiern. Δ De-Interleaver

C1 Decoder

Δ*De-Interleaver

C2 Decoder

Δ De-Interleaver

Abb. 4.14 Codierung und Interleaving bei der Compact Disc

Der CD-Decoder vollzieht diese Vorg¨ange in umgekehrter Folge und stellt das Signalpaar wieder her – selbst wenn einmal ein Kratzer auf der CD ist. Mit Hilfe des Interleaving u¨ ber 12 000 Bit hinweg und der wiederholten Codierung kann man eine CD, durch die ein 8 mm grosses Loch gebohrt wurde, noch fehlerfrei lesen.

4.7 Modulationsverfahren ¨ Modulationsverfahren werden den Anforderungen der Ubertragung und den St¨orungen auf der Strecke angepasst. St¨orungen k¨onnen Rauschen und Funkst¨orung (Interferenz) sein. Neben der St¨orresistenz ist Spektrumseffizienz wichtig („. . . das Frequenzspektrum ist st¨orungsfrei und bandbreiteneffizient zu nutzen“ 9 ). Die Fixed Satellite Services (FSS) sind heute durch hohe Effektivleistungen (elektrische Leistung plus Antennengewinn) gekennzeichnet. Damit wurde es Anfang der Achzigerjahre m¨oglich, mit Einseitenband-Amplitudenmodulation auf Satellitenstrecken h¨ochste Bandbreiteneffizienz zu erzielen: in einem 36 MHz Transponder hat man 18 000 amplitudenkompandierte Telefonkan¨ale u¨ bertragen. Dazu hat man den Telefonkanal, anstatt ihn mit 64 kbit/s zu u¨ bertragen, mit 1,7 kHz (im 2 kHz-Raster) analog u¨ bertragen. Die Amplitude Companded Single Sideband

9

Erster Grundsatz der Frequenznutzungsordnung

4.7 Modulationsverfahren

107

Abb. 4.15 Modulationsverfahren a) ASK b) FSK c) PSK

Suppressed Carrier-Systeme schienen wegen ihrer hohen Demand-AssignmentFlexibilit¨at und ihrer – im Vergleich zu TDMA-Systemen – hohen Wirtschaftlichkeit attraktiv. Dann kam jedoch der digitale Sprachkanal und mit ihm noch h¨ohre Bandbreiteneffizienzen. ¨ Im Mobilfunk steht die St¨orsicherheit und Zuverl¨assigkeit der Ubertragung im Vordergrund und Bandbreiteneffizienz ist nachrangig (im maritimen Satellitenfunk sind zum Beispiel 0,3 bit/s/Hz durchaus akzeptabel). F¨ur die Satelliten¨ubertragung haben sich zwei Modulationsverfahren bew¨ahrt (s. Abb. 4.15): – FSK (Frequenzabtastung/Freq. Shift Keying): uPSK = u0 · cos[(! − ! ) + c(t) · 2! ) · t – PSK (Phasenumtastung /Phase Shift Keying): uPSK = u0 · cos[(! · t + c(t) · ]. Der digitale Nachrichteninhalt c(t) (in Bit) wird in unterschiedliche Amplituden-, Frequenz- oder Phasenzust¨ande des Tr¨agers umgewandelt. W¨ahrend in Abb. 4.16 nur zwei Tr¨agersignalzust¨ande gezeigt sind, k¨onnen es in praxi – bei FSK und PSK – mehrere sein; man spricht dann von MFSK beziehungsweise MPSK, wobei M die Anzahl der Zust¨ande ist. + Das Spektrum der 2PSK-Modulation (die Spaltfunktion) gehorcht der Form  2  + Tbit   2  2    sin( f )     f bit  −jwt    P(f ) = V0  e dt  = P0   f   T  fbit  − bit  2 wobei fbit = 1/Tbit , Tbit die Bit-Dauer ist.

(4.17)

108

4 Codierung, Chiffrierung, Interleaving, Modulation

4.7.1 Phasenmodulation 4.7.1.1 QPSK Abbildung 4.16 zeigt Spektrum und Zeitfunktion von M = 4PSK (Quadrature-PSK). Die Phasenlage des Tr¨agers kann vier Zust¨ande annehmen, wobei pro Phasenlage zwei Bit u¨ bertragen werden (vergleiche M = 2PSK). Da QPSK pro Phasenzustand zwei Bit pro Tr¨agerschwingung (Bit/s/Hz) u¨ bertr¨agt, wird (f u¨ r die gleiche Bitrate) gegen¨uber 2PSK (Bi-PSK oder BPSK) nur die halbe Bandbreite ben¨otigt (s. Abb. 4.17). Das Spektrum der QPSK-Modulation gehorcht der Form (Baud = Bit pro Zustand) ⎡ T ⎤2 ⎡ ⎤2 + bit f

2 sin( fbaud ) ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ . P(f ) = V0 ⎢ e−jwt dt ⎥ (4.18) ⎣ ⎦ = P0 f −

fbaud

Tbit 2

Die Darstellung der modulierten (und u¨ bertragenen) Information in n Bit f u¨ hrt zu der Beziehung mit n = lg M (4.19) mit lg dem Logarithmus zur Basis 2; andere Darstellungen f u¨ hren zu anderen Beziehungen. Informationsgehalt und Bandbreite verhalten sich wie folgt: ¨ Tabelle 4.5 Bandbreiten und Ubertragungsraten f¨ur verschiedene PSK-Verfahren M (Zust¨ande) 12

n = lgM (Bit/Zustand) 13

2

4

8

16

32

6410

128

25611

1

2

3

4

5

6

7

8

Bandbreite (Hz/Bit)

1,6

0,8

0,53

0,4

0,32

0,27

0,23

0,2

Effizienz in (b/s)/Hz

0,63

1,25

1,88

2,5

3,13

3,75

4,38

5

Das Spektrum der M-PSK-Modulation gehorcht der Form. √ Wie aus Abb. 4.18 ersichtlich, muss der Spannungsvektor bei QPSK um 2 gr¨osser als der von BPSK sein, f u¨ r den gleichen St¨orabstand d zwischen benachbarten Vektoren. Die Leistung des QPSK Symbols muss also um den Faktor 2 gr¨osser als die von BPSK sein. Das QPSK-Symbol transportiert aber 2 Bit statt nur 1 Bit bei BPSK, so dass die Energie pro Bit Eb und damit auch das Verh¨altnis Eb − No von 10

64 PSK wurde vor vielen Jahren u¨ ber Satellit demonstriert; die z¨ogerliche Einf¨uhrung – trotz der deutlichen Bandbreitenvorteile – beruht auf mangelnder Kenntnis der Nutzer, damit begrenzter Anfrage und damit begrenztem Angebot von Modems 11 256 PSK wird bei WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) im terrestrischen Funknetz eingesetzt; damit werden 108 Mbit/s in 28 MHz u¨ bertragen 12 Bit/Zustand ≡ Baud 13 die Hauptkeule des Spektrums, von Nullstelle zu Nullstelle, ohne Schutzabstand und ohne Codierung

4.7 Modulationsverfahren

109

Abb. 4.16 Das Spektrum und die Zeitfunktion von M = 4-PSK (Quadrature-PSK beziehungsweise QPSK)

Abb. 4.17 BPSK- und QPSK-Spektren

Abb. 4.18 Die „Distanz“ d benachbarter Zust¨ande bei PSK, QAM und APSK

QPSK gleich dem von BPSK ist. QPSK arbeitet mit der gleichen Signalleistung wie BPSK, ben¨otigt aber nur die halbe Bandbreite. Die Tabelle 4.6 zeigt die Eb − No Verh¨altnisse fu¨ r verschiedene g¨angige Modulationsverfahren.

110

4 Codierung, Chiffrierung, Interleaving, Modulation

Tabelle 4.6 Eb − No vs. BER f¨ur verschiedene Modulationsverfahren bei AWGN (in dB) BER 10−1 10−2 10−3 10−4 10−5 10−6 10−7 10−8 10−9 10−10 10−11 10−12 10−13 10−14 10−15 =

BPSK14 −0,9 4,3 6,8 8,4 9,6 10,5 11,3 12,0 12,6 13,1 13,5 13,9 14,3 14,7 15,0

CFSK15 2,2 7,3 9,8 11,4 12,6 13,5 14,3 15,0 15,6 16,1 16,5 16,9 17,3 17,7 18,0

FSK16 5,1 8,9 10,9 12,3 13,4 14,2 14,8 15,5 16,0 16,5 16,9 17,3 17,7 18,0 18,3

QPSK −0,9 4,3 6,8 8,4 9,6 10,5 11,3 12,0 12,6 13,1 13,5 13,9 14,3 14,7 15,0

8PSK 16QAM 32QAM 64QAM 2,5 2,2 5,1 11,0 7,7 7,3 8,9 12,9 10,1 9,8 10,9 13,9 11,8 11,4 12,3 14,5 12,9 12,6 13,4 15,3 13,9 13,5 14,2 16,0 14,7 14,5 14,8 16,6 15,3 15,0 15,5 17,4 15,9 15,6 16,0 18,0 16,4 16,1 16,5 18,5 16,9 16,5 16,9 19,0 17,3 16,9 17,3 19,5 17,7 17,3 17,7 20,0 18,0 17,7 18,0 20,5 18,3 18,0 18,3 20,9

eb e− e− e − e− e− e− e − e−

= √

= √

= √

= √

= √

= √

= √

= √ no 2  2  2  2  2  ... ... ...

4.7.1.2 OQPSK Bei versetztem (Offset) QPSK wird der serielle Bitstrom in zwei parallele Str¨ome „I“ und „Q“ gewandelt und „Q“ um T/2 (T = Symboldauer = Bauddauer) verz¨ogert. Durch diesen Versatz werden Amplituden¨anderungen auf „von +1 auf 0“ etc. begrenzt; Nulldurchg¨ange wie „von +1 auf −1“ etc. kommen nicht vor – die „harten“ Zustands¨anderungen von „11“ nach „00“ werden vermieden und dadurch die Frequenzbandbreite auf die H¨alfte reduziert (erste Nullstellen bei ±0,5Tbaud anstatt bei ±1,0Tbaud ). 4.7.1.3 MSK, GMSK Minimum Shift Keying (MSK) ist eine Untermenge der PSK-Verfahren (s.Abb. 4.19) kontinuierlicher Phase (Continuous Phase; CP-PSK) und koh¨arenter Demodulation. Im Gegensatz zum Standard-PSK, das abrupt von einem Phasenzustand zum anderen springt, nimmt sich MSK die Zeit T, einer Symbolperiode, um linear von dem einen Phasenzustand zum anderen zu wechseln. Das Spektrum der Minimum Shase shift Keying (MSK) Modulation ist zun¨achst etwas breiter (der Leistungsabfall ausserhalb der Mittenfrequenz etwas geringer) als das von QPSK, f¨allt danach aber deutlich weiter ab. Das Gaussian Minimum Shase shift Keying (GMSK) wechselt wie der Verlauf einer Gauss-Verteilung vom einen Zustand zum anderen, wobei

= BER koh¨arentes FSK 16 inkoh¨arentes FSK 14 15

4.7 Modulationsverfahren

111

Phasenzustand

φj ( = 1)

PSK; Spektrum = si(wt) MSK; Spektrum = si(wt) GMSK; Spektrum

si(wt)

φi ( = 0) T

2T

3T

t

4T

Abb. 4.19 Der Phasenwechsel im Zeitbereich der Modulationsverfahren PSK, MPSK und GPSK

d = fT = 0,5 mit f = Frequenzhub = f2 − f1, und T = 1/f = Symbolperiode. Damit ergibt sich ein Spektrum, dessen Hauptkeule bereits schmaler als die aller vorangegangenen Modulationsarten ist, und dessen Nebenkeulen mit f 4 (statt f 2 ) abfallen, so dass diese Modulation die deutlich spektrumseffizienteste ist. Die Abb. 4.20 zeigt die Frequenzspektren von QPSK, MSK und GMSK, f u¨ r BT = 0,3 (im Einsatz im Mobilfunk GSM) und BT = 0,2 (kleinste Bandbreitenanforderung).

0 -20 dB

QPSK

-40 dB

MSK (BT

)

-60 dB -80 dB

GMSK (BT = 0,3)

-100 dB

GMSK (BT = 0,2)

fo- fb

fo- fb/2

fo

fo+ fb/2

fo+ fb

Abb. 4.20 Die Frequenzspektren von QPSK, MSK und GMSK

112

4 Codierung, Chiffrierung, Interleaving, Modulation

4.7.1.4 UQPSK, UOQPSK Neben dem normalen QPSK, das in der In-Phasen-Komponente „I“ und der Quadratur-Komponente „Q“ die gleiche Bitrate transportiert, gibt es „Unballanced QPSK“, UQPSK und UOQPSK, die in den beiden Quadraturkomponenten unterschiedliche Bitraten haben. Ein Beispiel ist GPS, das 50 b/s in „I“ und 1,0 Mb/s in „Q“ u¨ bertr¨agt. Einfache Ger¨ate empfangen nur die I-Komponente, professionelle Ger¨ate demodulieren zus¨atzlich auch die Q-Komponente. 4.7.1.5 BOC, Manchester Modulation Die j¨ungst unter der Bezeichnung BOC (Binary Offset Carrier) popul¨ar gewordene Modulation ist seit langem als die Manchester Modulation bekannt.Anstatt der Bitfolge von „1“ und „0“ (NRZ17 ), verwendet Manchester die Zust¨ande +1 und −1 in den beiden Bitdauerh¨alften. Jede der beiden Bitdauerh¨alften generiert einen Spektralanteil zur Rechten und zur Linken der Tr¨agerfrequenz; auf der Tr¨agerfrequenz ist ein Spektralminimum. Das resultierende Zweih¨okerspektrum mit dem Spektralminimum bei der Tr¨agerfrequenz ist in Abb. 4.21 dargestellt:

Abb. 4.21 Das Manchester-Zeitsignal und sein Frequenzspektrum

Die g¨angige Beschreibung des Manchester-Spektrums ist BOC (fshift , chiprate); zum Beispiel hat BOC (15; 2,5) Seitenfl¨ugel fshift = ±15 ∗ 1,023 MHz = ±15,345 MHz und die Chiprate „chiprate“ 2,5 Mchip/s. Das Spektrum ist von der Form ⎡

  ⎤2 f 4 sin ⎢ 2fband ⎥ ⎢ ⎥ P(f ) = P0 ⎢  2 ⎥ ⎣ ⎦ f 8 2fband 17

(4.20)

Non Return to Zero, ein Codierungsverfahren f¨ur bin¨are Daten, bei dem das Signal f¨ur zwei aufeinander folgende 1en nicht auf den Wert 0 zur¨uckkehrt

4.7 Modulationsverfahren

113

Jeder der beiden Seitenfl¨ugel nimmt die Bandbreite des entsprechenden QPSK Signals dieser Nutzbitrate ein, da es durch die Multiplikation mit sign(sin(2!t))18 auf ¨ die doppelte Ubertragungsbitrate angehoben wurde. Dem doppelten Bandbreitenbedarf stand zun¨achst kein Gewinn entgegen, das Verfahren war ohne Vorteil. Der Einsatz der Manchester Modulation kam dann im GPS Ortungssystem mit der Forderung, dessen zivilen C/A-Code auf der Mittenfrequenz st¨oren zu k¨onnen, ohne damit den milit¨arischen P-Code zu st¨oren. Dazu wurde der P-Code Manchester moduliert, sein Spektrum nach rechts und links, ausserhalb des C/A Codes, verlagert (s. Abb. 4.22).

Abb. 4.22 Die BOC-Spektren von GPS und Galileo

Im Bild sind das C/A-Signal von GPS (# 1; BPSK-1), der P(Y)-Code von GPS (# 2; BPSK-10), der M-Code (# 3; BOC 10,5) von GPS, das OS/CS/SAS-Signal von Galileo (# 4; BOC 2,2) und der PRS von Galileo (# 5; BOC 14,2) gezeigt. Die nicht bezeichneten Spektren sind Harmonische der gezeigten Signale. Die endg¨ultigen Signalformen bei Galileo k¨onnen sich noch a¨ ndern. 4.7.1.6 8PSK Die Modulation mit 8 Phasen (3 bit pro Phasenzustand) statt vier Phasen (und 2 bit pro Phasenzustand) kostet 3 dB mehr Eb − No und erh¨oht den Datenstrom um den Faktor 1,5; um die gleiche Bitrate zu u¨ bertragen, ben¨otigt man nur 67% der Bandbreite, verbessert also die Frequenz¨okonomie. 8PSK-Systeme werden bei VSAT-Netzen und auch bei INTELSAT eingesetzt.

18

sign(x) = 1 f¨ur x > 0, sign(x) = 0 f¨ur x = 0, sign(x) = −1 f¨ur x < 0

114

4 Codierung, Chiffrierung, Interleaving, Modulation

4.7.1.7 QAM, QAMSK Mit N Phasen und M Amplituden kann man eine gr¨ossere Anzahl Z an Zust¨anden erzeugen, als es mit der gleichen Leistung bei gleichen Amplituden m¨oglich ist. Bevorzugte Konstellationen sind Z = 16,64,256 etc.Die empfangsseitige Detektion der M Amplituden erfordert gute Amplitudenreinheit,die heute auch auf Satellitenstre¨ cken gegeben ist. Damit wird, in weniger Bandbreite als bei PSK, die Ubertragung einer hohen Anzahl von Zust¨anden (von Bit pro Symbol, also Baud) m¨oglich, bei entsprechend h¨oherer Sendeleistung, die aber in der heutigen Satellitentechnik verf u¨ gbar geworden ist. Die 16QAM Modulation verwendet drei verschiedene Amplituden und zw¨olf Phasenzust¨ande, um vier Bit pro Symbol zu u¨ bertragen. Sie arbeitet mit etwa der Leistung der 8PSK und in der Bandbreite der 8PSK, u¨ bertr¨agt aber die 1,33-fache Bitrate. 4.7.2 Puls-Positions-Modulation (PPM) Bei der Puls-Positions-Modulation moduliert man die Position eines Pulses im Zeitrahmen (s. Abb. 4.23). In speziellen Anwendungen, zum Beispiel in der Ortung, sendet man Pulse zur Bestimmung der Laufzeit des Signals (LORAN; LORAN-C, dem weltweiten Navigationssystem bei 100 kHz). Bei LORAN-C-EUROFIX sitzen die Pulse 1 ‹s fr¨uher oder sp¨ater als normal und vermitteln so Information (hier einschliesslich GPS-Korrekturdaten). Auch das Downlink des „Mode S Radar“ bei 1,09 GHz arbeitet mit der PulsPositions-Modulation (Bitzeit 1 ms). Die erzielte Bit/Hz-Effizienz w¨are fu¨ r den Kommunikationssektor zu niedrig.

Abb. 4.23 Die Puls-Positions-Modulation

4.7.3 Der Harkenempfanger { Rake Receiver Beim Empfang von Funksignalen stellt sich immer das Problem, dass sich Komponenten des gew¨unschten Signals von der Erdoberfl¨ache oder Geb¨auden etc. reflektieren und nach diesem Mehrweg in die Antenne gelangen, wo sie zus¨atzlich zum gew¨unschten Signal empfangen werden, und zwar umso gleichwertiger je kleiner

4.7 Modulationsverfahren

115

die Richtwirkung der Antenne ist. Die Richtwirkung der Antenne schwindet mit der Gr¨osse (der Apertur) und ist gleich Null bei rundumstrahlenden Antennen wie sie zum Beispiel im Mobilfunk-Handy verwendet werden. Auf Grund des Mehrweges dieser Streusignale („Echos“) sind sie nicht in Pha¨ se mit dem gew¨unschten Signal. Ihre Uberlagerung mit dem gew¨unschten Signal verursacht eine Signalst¨orung. Im schlimmsten Fall, wenn sie 180◦ phasenversetzt sind, l¨oschen sie das gew¨unschte Signal teilweise oder ganz aus; sie verursachen einen Signalschwund („Multipath Fade“). ¨ In der (vergangenen) Zeit der analogen Ubertragung gab es keine M¨oglichkeit, diesen Mehrweg-Effekt („Multipath Effect“) zu vermeiden oder wenigstens zu lindern, ausser, wenn es m¨oglich war, Antennen grosser Apertur zu verwenden, was mindestens im Mobilfunk nur begrenzt m¨oglich ist. Auch die Erh¨ohung der Sendeleistung, wie immer wieder zur Mitigierung der Mehrweg-St¨orung gefordert, ist nat¨urlich falsch, da die Leistung des MehrwegSignals mit der Leistung des gew¨unschten Signals steigt oder f¨allt; sie ist nur um den Reflektionsverlust kleiner als die des gew¨unschten Signals, und dieser ist unabh¨angig von der Sendeleistung. Die Ingenieure Price und Green19,20 haben bereits 1955 an der intelligenten Verarbeitung digitaler Signale gearbeitet. Das Ergebnis war ein Empfangssystem bestehend aus einem Hauptempf¨anger und mehreren Nebenempf¨angern, die in ihren Phasenlagen zum Hauptempf¨anger versetzt liegen und die Mehrwege-Signale per Korrelation detektieren und so verarbeiten (in ihren Phasenlagen zurechtr¨ucken), dass sie zum Hauptsignal hinzugef u¨ gt (in der Spannung zum Summensignal addiert) werden k¨onnen. Damit werden die Signalspannungen koh¨arent addiert, die (unabh¨angigen) Rauschspannungen jedoch inkoh¨arent, so dass sich das Signal/Rausch-Verh¨altnis (und das Eb − No ) ebenfalls verbessert. Die Mehrweg-Signale st¨oren nicht mehr sondern verbessern sogar die Qualit¨at des gew¨unschten Signales. Man kann den Harkenempf¨anger sogar als Diversity Receiver verstehen: Der Empfang wird durch die diversit¨aren Signale solidifiziert. Im Limit ist es denkbar, dass der Empfang durch die multiplen Echos aufrecht erhalten bleibt, wenn das Direktsignal ausf¨allt. Man kann sich die (zum Beispiel 16) Unterempf¨angerz¨uge und das (eine) Summensignal wie die Zinken beziehungsweise den Stil einer Harke vorstellen (s. Abb. 4.25) – daher „Harkenempf¨anger“, die Substantiv-Erkl¨arung fu¨ r diese Bezeichnung. Die Verb-Erkl¨arung der Vokabel, die bereits von Price und Green stammt, k¨onnte sein, dass das Ger¨at die Einzelkomponenten wie ein Rechen zusammen harkt. Da das Direktsignal um die zus¨atzliche Laufzeit des Echos verz¨ogert werden muss, damit das Echo in Phase hinzu addiert werden kann, entsteht eine Signalverz¨ogerung um den Betrag der zus¨atzlichen Laufzeit (einige ‹s). Diese Latenz ist im Mobilfunk ohne Bedeutung und bei Satellitenverbindungen ohnehin relativ 19

R. Price and P.E. Green, „A communications technique for multipath channels“, US-Patent, 1956 20 R. Price and P.E. Green,„A communications technique for multipath channels“, Proceedings of the IRE, Vol. 46, pp. 555–570, March 1958

116

4 Codierung, Chiffrierung, Interleaving, Modulation Die Unterempfänger, die Zinken der Harke (Rake Receiver Fingers) Die Summenbildung Das Summensignal, der Stil der Harke

Abb. 4.24 Die prinzipielle Architektur des Harkenempf¨angers

zur Satellitenlaufzeit (≈ 1/4 s) vernachl¨assigbar; sie sollte aber in einem Navigationsempf¨anger nicht vernachl¨assigt werden; dort bedeuten 3 ‹s Verz¨ogerung einen Fehler von 1 km. Rake-Empf¨anger werden heute in Mobilfunksystemen, satellitengest¨uzt (GlobalStar etc.) als auch terrestrisch (I-95, das „D-Netz“ in USA etc.) eingesetzt. 4.7.4 Spektralabfall der PSK-Modulation { Der Roll-Off Factor Der spektrale Abfall eines PSK modulierten Signales (der Roll-Off Factor) ist das Mass f u¨ r die Nutzung des Spektrums. Je steiler das Spektrum eines Hochfrequenztr¨agers beginnend von der Mittenfrequenz des Tr¨agers abf¨allt, desto enger k¨onnen die Tr¨ager angeordnet werden, desto besser ist die Bandbreitennutzung. Die Hauptkeule des Spektrums eines (digitalen) BPSK-Signales ist f = 2 /Ts breit (s.Abb.4.25), 50% der Leistung ist aber im Band f = 1/Ts konzentriert. Durch geeignete Filterung des Hochfrequenztr¨agers, der so genannten NyquistFilterung des Signales, wird der Abfall des Spektrums ausserhalb f = 1/Ts , also f = +0,5/Ts, sehr steil, so dass nur wenig mehr als f = 1/Ts pro Tr¨ager vorgesehen werden muss. Der Frequenzgang des Nyquist-Filters ist gegeben durch ⎧ ⎪ ⎪  0   ⎨T  (1 − ˇ) 1 s H(f ) = 1 + cos  · Ts |f | − f u¨ r ⎪ 2 (2 · Ts ) ˇ ⎪ ⎩ Ts ⎧ 1−ˇ ⎪ ⎪ 0 ≤ |f | ≥ ⎪ ⎪ 2Ts ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ 1−ˇ (1 + ˇ) (4.21) ≤ |f | ≥ ⎪ 2 · T 2 · Ts s ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎩ |f | > (1 + ˇ) 2 · Ts

4.7 Modulationsverfahren

117

Abb. 4.25 Der Roll-Off Factor f¨ur ˇex(0,15; 0,50) gegen die Frequenz

Hier ist ˇ der Roll-Off Factor (ROF). Abbildung 4.25 zeigt den Spektralabfall f u¨ r Roll-Off Factors ˇ = 0,15 (die steilste Kurve) bis ˇ = 0,50 (die am wenigsten steile Kurve) gegen die Frequenz f , gemessen von der Tr¨agermittenfrequenz fo bis fo + Ts . F¨ur ˇ = 0 ist der ROF bis f = fo + 0,5/Ts gleich 1,0 und springt dort auf 0,0 vertikal ab. G¨angige machbare Roll-Off Factors in der Praxis sind ˇ = 35% (DVB-S Standard; 36 Mb/s QPSK in 36 MHz) ˇ = 20% (DVB-S2 Standard; 54 Mb/s QPSK in 36 MHz) ˇ = 15% (INTELSAT-TDMA, 1974; 64 Mb/s QPSK in 36 MHz). In erster, grober N¨aherung kann man die ben¨otigte Hochfrequenzbandbreite BW in Abh¨angigkeit des Roll-Off Factors wie folgt ansetzen:   0,5 1 + ˇ BW = (4.22) Ts Ausgedr¨uckt in der zu u¨ bertragenden Bitrate BR wird die N¨aherungsgleichung zahlenm¨assig zu   BW = 0,5 · BR 1 + ˇ (4.23) Da Satelliten-Transponderbandbreite Geld kostet, ist es sinnvoll, einen Spektralabfall von mindestens ˇ = 0,20 bzw. 20% entsprechend dem internationalen DVB-S2 Standard einzusetzen – siehe Beispiel. ¨ Beispiel: F¨ur die Ubertragung von BR = 100 Mb/s ergibt sich so ein Bandbreitenbedarf von BW = 0,5 · 100(1 + 0,20) = 60 MHz. Hinzu sollte man bei Mehrtr¨agerbetrieb im Transponder ca. 10% der Bandbreite als Schutzabstand zu den Nachbartr¨agern einr¨aumen (je 5% zur Rechten und zur Linken); in Summe m¨ussen 66 MHz angesetzt werden.

118

4 Codierung, Chiffrierung, Interleaving, Modulation

4.7.5 Codulation Die Codulation verkn¨upft die Modulation mit der Kanalcodierung. Wie kann die Codierung des Bitstroms pr¨apariert werden, um im Verbund mit der Modulation die Unwirren des Kanals unbeschadet zu u¨ berstehen? Die Modulation kann demodulatorfreundliche Attribute beinhalten wie zum Beispiel die Vermeidung benachbarter Bitfolgen in aufeinander folgenden Zeichen; war das letzte Symbol die Bitfolge 010, sind die Bitfolgen 110, 000 und 011 ausgeschlossen; diese a priori Information unterst¨utzt den Entscheidungsprozess des Demodulators und mindert so die Bitfehlerwahrscheinlichkeit. Eine bew¨ahrte Codulation ist auch die Trellis Coded Modulation (TCM), ein konventionelles Modulationsverfahren im Verbund mit Faltungscodierung. Die Codierung ben¨otigt hierbei – wie jede Codierung – zus¨atzliche Bit u¨ ber die Informationsbit hinaus; die Modulation mit zum Beispiel 8PSK anstatt 4PSK ben¨otigt eine h¨ohere Leistung,erh¨oht aber auch die Bitrate.Diese zus¨atzliche Bitrate erm¨oglicht die Codierung. Der erzielte Codiergewinn des Faltungscodes u¨ bersteigt die zus¨atzliche Leistungsforderung des h¨oherwertigen Modulationsverfahrens. ¨ Die Ubertragung der h¨oheren Bitrate findet in der gleichen Bandbreite (des urspr¨unglichen 4PSK) statt.  TCM spart Sendeleistung ohne Erh¨ohung der Bandbreite. Im Beispiel ist das Tr¨ager/Rauschleistungsverh¨altnis f u¨ r die 8PSK um 3 dB h¨oher als f u¨ r die 4PSK Modulation; der Codiergewinn des Rate 2/3 Faltungscodes betr¨agt 5 dB; der Nettogewinn ist also 2 dB. 4.7.6 Systemtechnischer Vergleich der Modulationsverfahren Die Modulationsverfahren unterscheiden sich in ihrer Eignung und F¨ahigkeit, Si¨ gnalqualit¨at fu¨ r Ubertragungsleistung in einer begrenzten Bandbreite zu liefern. Abbildung 4.26 zeigt die Signalqualit¨at in S-R gegen die Tr¨ager/Rauschleistung C-N f u¨ r Amplitudenmodulation (auch fu¨ r C = N ist S = R noch demodulierbar), fu¨ r Frequenzmodulation und Threshold Extention FM (TEFM; hoher Modulationsgewinn gegen¨uber AM, aber – im Gegensatz zu AM – eine C-N-Schwelle, unterhalb der Demodulation nicht mehr m¨oglich ist) und f u¨ r digitale Modulation, die gegen¨uber FM wesentliche M¨oglichkeiten der Qualit¨atsverbesserung beinhaltet, aber eine noch h¨artere Schwelle besitzt, bei der der Demodulator „aussteigt“. Ein wesentlicher Unterschied zwischen FM und PSK ist, dass das FM-Spektrum mit der Gauss-Verteilung abnimmt, w¨ahrend PSK gem¨ass Gleichung 4.13 die (sin x/x)2-Sidelobes aufzeigt.Mit der GMSK-Modulation kann die Gauss-Verteilung ¨ des Spektrums aber auch in der digitalen Ubertragung erreicht und erhalten werden. Die Sidelobes der PSK-Modulation lassen sich n¨amlich zwar sendeseitig bandpassfiltern, sie treten aber in jedem Folgeglied wieder auf 21 . 21

„. . . du magst die Natur mit der Mistgabel austreiben, sie kehret doch zur¨uck!“ (naturam furcu expellas, tamen usque recurret; Horaz, ep. I 10,24.)

4.7 Modulationsverfahren

119

¨ Abb. 4.26 Signalqualit¨at gegen Ubertragungsleistung in C-N f¨ur einige Modulationsverfahren

¨ Uber den Einzelthemen der Technologie und den Verfahren steht das System Engineering als eigenst¨andige Ingenieurdisziplin und ist von grundlegender Bedeutung. Es definiert das Gesamtsystem aufgrund der Anforderungen und erarbeitet dann, wie das gestreckte Ziel am betriebswirtschaftlichsten erreicht werden kann. Bei einem Fernmeldeprojekt versucht der Systemingenieur fu¨ r die Definition des Leistungsprofils ¨ die Ubertragungskapazit¨ at maximal zu nutzen, ¨ die Ubertragungsqualit¨at zu garantieren, Parameter wie Laufzeit, Interferenz, Zuverl¨assigkeit etc. zu ber¨ucksichtigen, Randbedingungen wie Satellitenorbit, verf u¨ gbare Leistung, Systemreserve einzuhalten, 5. die Kosten des Systems und seines Betriebs zu minimieren.

1. 2. 3. 4.

Hierbei stehen zum Beispiel die Ziele 2. und 5. im klassischen Widerspruch. An dieser Stelle unterscheidet man Systemparameter, die gegeneinander verhandelt werden k¨onnen (Trade-Offs) und systembegrenzende Vorgaben durch die Physik, die rechtliche oder betriebsrechtliche Situation oder durch die vorgegebene Finanzdecke des Projektes. Physikalische Grenzen sind zum Beispiel: ¨ – das Nyquist-Theorem f u¨ r die Ubertragungsbandbreite ¨ – das Shannon-Limit f u¨ r die Ubertragungskapazit¨ at. Rechtliche und betriebsrechtliche Randbedingungen sind: – – – –

die regulatorische Situation des Betriebs von Fernmeldeanlagen die betriebsrechtlich festgelegte Nutzung von Funkfrequenzen zu Orbitzuordnungen die Funkst¨orung (Interferenz) mit anderen Anlagen.

Die Aufgabe des Systemingenieurs ist,in Kenntnis der verfu¨ gbaren Technologie,der m¨oglichenVerfahren und der rechtlichen M¨oglichkeiten ein System auszulegen,das die gr¨osstm¨ogliche Fernmeldekapazit¨at am wirtschaftlichsten beistellt. Von dieser Warte aus werden Untersysteme definiert. Die umgekehrte Vorgehensweise, die f u¨ r die diversen Subsysteme und Komponenten verantwortliche Ingenieure nach eigenem Gusto ihre Ger¨ate perfektionieren

120

4 Codierung, Chiffrierung, Interleaving, Modulation

zu lassen, fu¨ hrt zu hohen Kosten f u¨ r das Gesamtsystem. Die Einsparung von 1 dB Sendeleistung – als eines von vielen Trade-Off-Beispielen – kann wahlweise erreicht werden durch: h¨oheren Sendeantennengewinn h¨oheren Empfangsantennengewinn kleinere Empf¨anger-Rauschleistung kleinere Streckenverf u¨ gbarkeitsmarge ¨ ¨ kleinere Ubertragungskapazit¨ at niedrigere Ubertragungsqualit¨ at ¨ h¨ohere Ubertragungscodierung bessere Quellencodierung oder kleinere Verluste zwischen Sender und Antenne. Jede Alternative bietet andere Abh¨angigkeiten, Sekund¨areffekte und Kostenauswirkungen.Folglich kann die Entscheidung,von welchen Subsystemen beziehungsweise Systemparametern das fehlende dB zu erbringen sei, vom System Engineer nur unter Ber¨ucksichtigung der M¨oglichkeiten, Durchf u¨ hrbarkeiten (zum Beispiel der Qualit¨atsreduktion), Abh¨angigkeiten (zum Beispiel des Antennengewinns von der Richtwirkung und Bedeckungszone) und der jeweiligen Kosten, f u¨ r Entwicklung, Herstellung, Betrieb und Ausmusterung gef¨allt werden. Trade-Offs von Leistung und Bandbreite k¨onnen,wie schon in der analogen Frequenzmodulation Leistung gegen Bandbreite gegeben werden (je h¨oher die Leistung, desto kleiner die Frequenzbandbreite): Auch bei der digitalen Modulation kann Leistung gegen Bandbreite getauscht werden. Je h¨oher die verfu¨ gbare Leistung, desto h¨oherwertige Modulationsverfahren k¨onnen verwendet werden, die umso weniger spektrale Bandbreiten einnehmen. ¨ Wichtig ist, dass man mit Technologie Ubertragungsbandbreite sparen kann. Das Pendant zu den Threshold Extension Demodulators der analogen Frequenzmodulation sind in der digitalen Phase Shift Keying heute die h¨oherwertigen Modulationsverfahren mit 4, 16, 64 etc. Phasenzust¨ande.  Die Bandbreite geht mit der Frequenz der Phasenwechsel – der Baud-Rate. F¨ur die Baud-Rate 100 und den ROF 0,20 werden 60 Hz ben¨otigt,unabh¨angig davon, ob jedes Baud 1 Bit transportiert (BPSK) oder 64 (64QAM). 64QAM ist aber sechs Mal effizienter. ¨ Der Trade-Off-Bereich von Leistung und Bandbreite bei digitalen Ubertragungen zum Beispiel l¨asst sich mit dem Shannon-Theorem abgrenzen: 4.7.7 Die benotigte Bandbreite im Satelliten ¨ Wie ermittelt man die Bandbreite im Satelliten, die zur Ubertragung eines Dienstes ben¨otigt wird? Die Satellitenbandbreite h¨angt ab von: i. ii. iii. iv. v. vi.

der zu u¨ bertragenden Bitrate des Dienstes der verwendeten Formatierung dem vom Nutzer ausgew¨ahlten Modulationsverfahren dem oder der eingesetzten Codierverfahren, FEC oder RS oder FEC&RS etc. der Anzahl der zu u¨ bertragenden Einzeltr¨ager des Nutzers dem Schutzabstand zwischen den Einzeltr¨agern, zum Beispiel 10% der Bandbreite

4.8 Frequenzumsetzung

121

Die Ermittlung l¨asst sich am besten mit einem Beispiel erl¨autern: Es sollen 2,048 Mbit/s zwischen A und B ausgetauscht werden. Der zu u¨ bertragende Bitstrom (Punkt i) ist also 2,048 Mbit/s; wenn zum Beispiel in einem TDMA Rahmen formatiert wird (Punkt ii),kommen ca.10% Rahmendaten hinzu, so dass die zu u¨ bertragende Brutto-Bitrate 2,26 Mbit/s betr¨agt. Wird nun das Modulationsverfahren QPSK ausgew¨ahlt (Punkt iii), dann entnimmt man der Tabelle 4.5 f u¨ r M = 4 den Bandbreitenwert 1,27 MHz pro Mbit/s; f u¨ r 2,26 Mbit/s also 2,87 MHz. ¨ Soll der Bitstrom f u¨ r die sichere Ubertragung mit,zum Beispiel,FEC Inner Code der Rate 3/4 und zus¨atzlich mit Reed-Solomon Outer Code der Rate 204/188 codiert werden (Punkt iv), ergibt sich die Summenbitrate 2,87 / (3/4) / (188/204) MHz = 4,15 MHz. F¨ur die Duplexverbindung A nach B plus B nach A ben¨otigt man zwei Einzeltr¨ager (Punkt v); hierfu¨ r werden 8,3 MHz ben¨otigt – noch ohne Schutzabstand. Zwischen den beiden Einzeltr¨agern, insbesondere aber auch unterhalb und oberhalb des Tr¨agerpaares, muss zwingend ein Schutzabstand (Punkt vi) vorgesehen werden, um die St¨orung der benachbarten Tr¨ager in Grenzen zu halten (Tr¨ager st¨oren die Nachbartr¨ager und werden ihrerseits auch von den Nachbartr¨agern gest¨ort, wenn man sie zu dicht packt). Mit zum Beispiel 10% Schutzabstand je zur Rechten und zur Linken eines Tr¨agers wird die insgesamt ben¨otigte Bandbreite dann 8,3 MHz + 3(4,15 MHz 0,1) = 9,55 MHz. Gibt der Satellitenbetreiber Bandbreiten in ganzzahligen Vielfachen von zum ¨ Beispiel 1 MHz ab, m¨ussen f u¨ r die vorliegende Ubertragung 10 MHz angemietet werden.

4.8 Frequenzumsetzung Die Umsetzung des sendeseitigen Modulatorausgangs (zum Beispiel 1,5 GHz) auf die Uplink-Frequenz (zum Beispiel 14 GHz), die Umsetzung der Uplink-Frequenz auf die Downlink-Frequenz im Satelliten (zum Beispiel 11 GHz) und die Umsetzung der Downlink-Frequenz auf die Demodulatoreingangsfrequenz im Empf¨anger geschieht mit Hilfe eines Mischers, der von einem Oszillator beaufschlagt wird (s. Abb. 4.27). Das Ergebnis ist ein Ausgangssignal f2 = f1 ± fMixer . Nachfolgend wird

Eingangssignal, f1

Signal, f1 + f2

Ausgangssignal f1 -f2

Local Oscillator, f2 Abb. 4.27 Der Frequenzumsetzer (Up-Converter, Down-Converter)

122

4 Codierung, Chiffrierung, Interleaving, Modulation

das gemischte Signal bandpassgefiltert,um die spiegelsymmetrische Komponente f1 + fMixer zu stoppen; der Ausgang des Frequenzumsetzers ist dann f2 = f1 . Im Satelliten ist die Frequenzumsetzung konstant u¨ ber die Lebensdauer des Satelliten; es wird ein starrer Local Oscillator verwendet. Die Endger¨ate am Boden m¨ussen so ausgelegt werden, dass sie jederzeit ohne Montageeingriff auf eine beliebige Frequenz in irgendeinem der Transponder des Satelliten eingesetzt werden k¨onnen. Dazu sind sie mit flexiblen Oszillatoren (Frequency Agile Oscillators) ausgestattet. In Endger¨aten am Boden, die heute weitestgehend in Software ausgelegt sind („Software Radio“), wird auch die Frequenzumsetzung in Software realisiert.

 4.9 Die Ubertragung  4.9.1 Die Ubertragungskapazit at { das Shannon Limit ¨ ¨ Wie wird die Kanalkapazit¨at (die Bitrate der Ubertragung oder Ubertragungsrate in b/s) cc durch die Bandbreite bw (in Hz) und das Rauschen n (in W) begrenzt:   s+n cc = bw · lg2 (4.24) n mit s der Signalleistung in W. Dies ist das Shannon Limit, von Claude Shannon, einem Ingenieur der Bell Telephone Laboratories in Murray Hill, N.J., im Jahr 1948 ver¨offentlicht. Die Wandlung von lg2 nach lne ergibt  s cc = bw · 1,44 lne 1 + n In dieser Form l¨asst sich der Grenzwert f u¨ r s/n  1 bestimmen zu cc = bw · 1,44

s n

bzw.

s 1 n cc = 1,44 = 0,69 bw Mit der Wandlung nach log10 ergibt sich die Form in dB: (S − N) − (CC − BW ) = −1,6 dB, der Grenzwert f u¨ r s/n  1, mit CC = 10 log(cc), BW = 10 log(bw), S = 10 log(s) und N = 10 log(n). Mit der Signalenergie pro Bit Eb zu Rauschleistungsdichte No und Eb −No = S−N ergibt sich (S − N) − (CC − BW ) = (Eb − N0 ) − (CC − BW ) = −1,6 dB.

(4.25)

¨ 4.9 Die Ubertragung

F¨ur s/n > 1, also der Normalfall, gilt,  cc s = lg2 1 + . bw n Mit der Wandlung nach log10 ergibt sich die Form in dB:   s  CC − BW = 10 log10 lg2 1 + n  

123

(4.26)

s 

= 10 log10 3,322 log10 1 + n    s = 5,2 + 10 log10 log10 1 + n Diese Funktion von CC-BW gegen s/n beziehungsweise Eb − No ist in Abb. 4.28 gezeigt, vom linken Grenzwert f u¨ r Eb − No = −1,6 dB, dann der Nulldurchgang mit CC-BW = 0 dB f u¨ r Eb − No = 0 dB, bis ca. Eb − No = 20 dB. Unterhalb dieser Kurve liegt der realisierbare Bereich, die Kurve selbst stellt den Grenzfall der Bitfehlerrate 0,5 dar, und oberhalb der Kurve ist der nichtrealisierbare Bereich. nicht realisierbarer Bereich Übertragungsrate pro Bandbreite:

10

6

CC-BW in dB

BER = 0.5

PSK turbocodiert; BER = 10-5

8

M= 8

4 2

- 1 . 6 dB

0

M= 4

M=4

M= 2

M= 2

-2

M=16 M=8

PSK uncodiert; BER = 10-5

realisierbarer Bereich

M=2

-4

M=4

bandbreitebegrenzter Bereich

FSK uncodiert; BER = 10-5

M= 8

-6

leistungsbegrenzter Bereich

-8 -10 -5

0

5

10

15

20

Eb-No in dB

¨ Abb. 4.28 Ubertragungsrate CC u¨ ber Bandbreite BW gegen Eb − No

In diesem Graph kann man f u¨ r ein vorgegebenes Eb − No das maximal erreichbare CC-BW ablesen, beziehungsweise fu¨ r ein gefordertes CC-BW das notwendige Eb − No . Von links unten in Richtung nach rechts oben werden diverse Modulationsverfahren durchschritten, die zunehmende Verbesserung bringen (zum Beispiel von inkoher¨antem FSK u¨ ber koh¨arentes FSK, differentielles PSK, koh¨arentes PSK etc., alle M = 2), alle f u¨ r BER = 10−5 . Im realisierbaren Bereich sind vier M-PSK Modulationsverfahren (M = 2, 4, 8 und 16) mit einer Bitfehlerrate von 10−5 und drei M-FSK Modulationsverfahren (M = 2, 4 und 8), ebenfalls mit einer Bitfehlerrate von 10−5 eingetragen.

124

4 Codierung, Chiffrierung, Interleaving, Modulation

Die obere Halbebene mit CC-BW > 0 dB ist der bandbreitenbegrenzte Bereich, ¨ f u¨ r CC-BW > 0 dB ist die Ubertragung leistungsbegrenzt. Bemerkenswert ist, dass die Phasenmodulation (Phase Shift Keying; PSK) mit vier Phasen (M = 4) f u¨ r das gleiche Eb − No um 3 dB h¨ohere CC-BW zeigt (die ¨ doppelte Ubertragungsrate pro Bandbreite) als das 2-Phasen PSK. Die Frequenzsprungmodulation (Frequency Shift Keying; FSK) mit zwei Frequenzen (M = 2) zeigt hier f u¨ r das wiederum gleiche Eb − No um 3 dB nied¨ rigere CC-BW (nur die halbe Ubertragungsrate pro Bandbreite) im Vergleich zu 2-Phasen PSK. Die Frequenzsprungmodulation mit vier Frequenzen (M = 4) zeigt sogar, f u¨ r das gleiche Eb − No , um 6 dB niedrigere CC-BW (nur ein Viertel der ¨ Ubertragungsrate pro Bandbreite) im Vergleich zu 2-Phasen PSK. Man wird dieses bandbreitenineffiziente Modulationsverfahren (FSK) also nur dort einsetzen, wo die Robustheit seiner Demodulation gefordert ist (es ist technisch einfacher, eine Frequenz im Spektrum zu detektieren als die Phasenlage eines Hochfrequenztr¨agers zu bestimmen). Der Kurvenverlauf links oben zeigt die PSK-Performance im Verbund mit Turbocodierung. Die Eb − No -Werte liegen unmittelbar neben dem Shannon-Limit, der ¨ Abstand maximal m¨oglichen Ubertragungskapazit¨ at („Close the gap to capacity!“). In der Satellitenkommunikation ist man seit langem nicht mehr leistungsbegrenzt sondern bandbreitenbegrenzt und greift deshalb zu PSK-Modulation mit immer h¨oherwertigen Phasenzust¨anden (16-QAM, 64-QAM, 256-QAM etc.). Generell gilt: H¨ohere Bandbreiteneffizienz ist notwendig. Nur im Mobilfunk und insbesondere im leistungsbegrenzten SAR wird man weiterhin das robustere, leistungssparsamere, wenngleich bandbreitenaufwendigere FSK verwenden. 4.9.2 Kanalabhangige Bitrate, Codierung und Modulation Seit vierzig Jahren sind Ger¨ate mit variabler Bitrate verfu¨ gbar, die sich dem Kanalzustand anpassen. Wenn der Decodierer eine hohe Bitfehlerrate zur¨uck meldet, reduziert der Sender die Bitrate entsprechend, so dass mit der aktuellen (reduzierten) Leistung der kleinere Bitstrom fehlerfrei u¨ bermittelt werden kann. Nach Beendigung des Signalschwundes wird die Bitrate wieder auf den nominellen Wert angehoben. Diese „Variable Bit Rate“ (VBR) Ger¨ate werden inzwischen auch im Satelliten¨ funk eingesetzt: „Lieber langsam als schlecht“, es ist besser, die Ubertragungsdauer geringf u¨ gig zu erh¨ohen als sich unzul¨assig viele Fehler einzuholen. ¨ Eine weitere Verbesserung der Ubertragungsqualit¨ at kann erreicht werden, ¨ wenn man, in der Bereitschaft, etwas mehr Ubertragungsdauer zuzulassen, den Codierungsaufwand erh¨oht, von, zum Beispiel, einer Rate 3/4 auf die Rate 1/2. Damit erreicht man etwa 2 dB mehr Codiergewinnn, und die Nachricht oder die Daten sind besser gesch¨utzt. Dies ist die kanalabh¨angige Codierung. ¨ Ahnlich passt man auch das Modulationsverfahren an den Kanalzustand an; man u¨ bertr¨agt mit 16-QAM solange die Kanalqualit¨at es zul¨asst und f¨allt auf das robuste (aber langsamere) QPSK zur¨uck, wenn Schwunderscheinungen auf dem Kanal auftreten. Dies ist die kanalabh¨angige Modulation.

4.10 Zusammenfassung

125

¨ Schliesslich setzt man heute kanalabh¨angige Ubertragungsprotokolle wie das Hybrid Automatic Repeat reQuest (HARQ) ein, die auf der Basis einer Forward ¨ Error Correction (FEC) nicht in den Ubertragungsablauf eingreifen, so lange der ¨ Decoder mit dem empfangenen Signal zurechtkommt. Ubersteigt die Bitfehlerrate aber einen Grenzwert, wird auf receive Acknowledgement (ACK, eine Best¨atigung nach jedem Rahmen) oder besser auf Negative receive Acknowledgement (NACK, R¨uckmeldungen, nur wenn ein Rahmen nicht decodierbar war) u¨ bergegangen.

4.10 Zusammenfassung Die Kanal-Codierung spart Sendeleistung: 6 dB Codiergewinn f u¨ r nur 3 dB mehr ¨ Bandbreite viertelt die Sendeleistung und senkt die Ubertragungskosten. Zur Anpassung an mehrere Kanalzust¨ande lassen sich mehrere Codes kaskadieren. Tur¨ bocodes zehnteln die notwendige Ubertragungsleistung (auf −10 dB). Die Blockverschachtelung eliminiert Blockfehler (viele Fehler in Serie, im Gegensatz zu stochastischen Einzelfehlern) grosser L¨ange ohne zus¨atzliche Codierbits – ohne die Bitrate zu erh¨ohen; sie sollte grossz¨ugig genutzt werden. Chiffrierung ist notwendig. Der Wettbewerber h¨ort mit (Eaves Dropping) und ver¨andert eventuell die Information zu unserem Nachteil (Spoofing). ¨ Quelldatenreduktion zur Reduktion des Ubertragungsvolumens ist vorteilhaft. Mit moderner Datenkompression ben¨otigt man weniger als 6,4 kbit/s fu¨ r die Sprach¨ubertragung (anstatt 64 kbit/s wie vor dreissig Jahren) und u¨ bertr¨agt zehn digitale Fernsehprogramme anstatt eines Analogprogramms. Zu den Modulationsverfahren: F¨ur analoge Verfahren gilt, je besser das Verh¨altnis von Hochfrequenztr¨agerleistung C zu Hochfrequenzrauschleistung N, desto besser die Qualit¨at des Basisbandsignals in BER oder S relativ zur Rauschleistung R, also S-R. Die technologisch fortschreitenden Modulationsverfahren liefern immer bessere Qualit¨at – f u¨ r eine entsprechende Leistung. Wenn die Leistung abf¨allt, f¨allt PSK die Bitfehlerrate entsprechend linear ab; die AM funktioniert a¨ hnlich; mit C-N < −10 dB arbeitet sie immer noch, mit entsprechender Qualit¨at. Bei FM f¨allt die Qualit¨at zun¨achst auch linear, bis ca. C-N = 6 dB, dann schwindet sie jedoch steil nach unten. Hochkomprimiertes Video mit MPEG verh¨alt sich a¨ hnlich wie FM. Zum einen kann das Bild, wenn alle Bit korrekt sind, nicht mehr besser werden, und zum anderen bricht es ganz zusammen, wenn die Schwelle unterschritten wird. ¨ Man muss also die Ubertragungsleistung sicherstellen. Dann ist MPEG vorteilhaft – weil es zehn Mal so viele Fernsehprogramme in einem Transponder abstrahlt, wie dies fr¨uher mit FM m¨oglich war. Die digitale Technologie erm¨oglicht heute auch, AM-Empf¨anger, die die Frequenz nachziehen, wenn sie driftet, und sonst ein paar Tricks anzuwenden, um Quaken und Quieken zu unterdr¨ucken. Damit lassen sich Sprachkan¨ale in 2 kHz u¨ bertragen (Single Sideband Frequency Compressed AM; SSBFCAM). Diese Technik wurde aber weitgehend von der Digitaltechnik mit hochkomprimierten Sprach-

126

4 Codierung, Chiffrierung, Interleaving, Modulation

kan¨alen, die auch in 2 kHz u¨ bertragen werden k¨onnen, „links u¨ berholt“; die SSBFCAM wurden in den USA Anfang der 90-er Jahre eingesetzt, haben sich aber nicht durchgesetzt. ¨ Modulationsverfahren m¨ussen der jeweiligen Ubertragung angepasst werden. Die robusteste Digitalmodulation ist FSK (es ist technisch einfacher, eine von zwei bekannten Tr¨agerfrequenzen zu detektieren als die unbekannte Phasenlage eines schwer detektierbaren Signals). FSK hat jedoch deutlich niedrigere Bandbreiteneffizienz. PPM hat seinen Platz in der Funkortung, ist jedoch kein Vehikel f u¨ r die ¨ Ubertragung von gr¨osseren Volumina von Daten. H¨ohere Informationsvolumina werden am besten mit PSK u¨ bertragen. Hier ¨ kostet QPSK die gleiche Ubertragungsleistung wie BPSK, ben¨otigt aber nur die halbe Bandbreite. Deshalb sollte BPSK heute in der bandbreitenlimitierten Satellitenkommunikation nicht mehr eingesetzt werden. Der Trend geht zu h¨oherwertigen Phasenmodulationen, zu 8 PSK (mit 8 Phasenzust¨anden), 16PSK und 16QAM etc. Das 16QAM kostet etwa die gleiche Leistung wie 8PSK, ben¨otigt jedoch nur ca. 2/3 der Bandbreite. Der n¨achste Schritt ist via 64QAM, das im Jahr 2000 (in M¨unchen) via Satellit erfolgreich demonstriert wurde, und weiter zu 126QAM, 256QAM und 512QAM. Kommunikationssatelliten sind l¨angst nicht mehr leistungs- sondern bandbreitenbegrenzt. Mehrere Amplitudenzust¨ande pro Phase fordern erh¨ohte Leistung, nicht aber erh¨ohte Bandbreite; deshalb geht man zu 64 QAM etc.

Literaturhinweise M¨ausl, Rudolf,„Digitale Modulationsverfahren“, H¨uthig, Heidelberg, 1995 Proakis, John,„Digital Communications“, McGraw Hill, New York, 1995 Berlin, Peter, „The Geostationary Applications Satellites“, Cambridge University Press, Cambridge, 1988 Dixon, R. C.,„Spread Spectrum“, Wiley-Interscience, New York 1994 Fletscher, Walt,„Voice Processing“, Artech House, Boston, 1991 Klaus Schmeh, „Kryptografie und Public-Key-Infrastrukturen im Internet“, dpunkt.verlag, 2001 Beutelsbacher, A. und Wolfenstetter, K.-D.; „Sicherheit in IT-Systemen mit kryptographischen Methoden“; empfehlenswerter Lehrgang der CCG IT 6.14, Oberpfaffenhofen bei M¨unchen, 2002 R. Price and P.E. Green, „A communications technique for multipath channels“, US-Patent, 1956 R. Price and P.E. Green,„A communications technique for multipath channels“, Proceedings of the IRE, Vol. 46, pp. 555–570, March 1958 Feldhusen, J.,„EDV-Technik“, Springer, 2006 Hering, E., Martin, R., Stohrer, M.,„Taschenbuch der Mathematik und Physik“, Springer, 2005 Schuppen, J.H.v.,„Mathematics of Control, Signals, Systems“, Springer, 2006

5 Das Relais im Orbit und die Streckenbilanz

„Gut bilanziert ist halb gemogelt!“ ¨ Wie dimensioniert man die Ubertragung zu einem Satelliten und zur¨uck? Die Leistung einer Satellitenstrecke durchl¨auft einen dramatischen Gesamt-Pegelhub, wie er nicht oft in der Funktechnik, geschweige denn in der Mechanik, auftritt (s. Abb. 5.1).

Abb. 5.1 Der Pegelhub einer Satellitenstrecke im Ka-Band in dBW (1 = Eingangssignal, Erdfunkstelle; 2 = Sendeverst¨arker; 3 = Antennengewinn; 4 = Uplink Pathloss; 5 = EmpfangsAntennengewinn, Satellit; 6 = Verst¨arker; 7 = Sende-Antennengewinn, Satellit; 8 = Downlink Pathloss; 9 = Antennengewinn, Erdfunkstelle; 10 = rauscharmer Vorverst¨arker; 11 = Leistungsverst¨arker; 12 = Ausgangssignal, Erdfunkstelle)

¨ Das Diagramm der Leistungspegel f u¨ r die gesamte Ubertragungsstrecke (Erde– Satellit und zur¨uck Satellit–Erde) zeigt die enormen Pegelh¨ube im Bereich von +100 dBW und −180 dBW, in der Absolutsumme ein Bereich von ca. 960 dB. Umso wichtiger ist, Signalqualit¨at und kontinuierliche Signalverf u¨ gbarkeit ¨ durch die korrekte Dimensionierung der Ubertragungsstrecke zu garantieren –

128

5 Das Relais im Orbit und die Streckenbilanz

bei analogen Signalen durch das Tr¨ager/Rauschleistungsverh¨altnis, bei der digita¨ len Ubertragung durch die Bitfehlerrate. Die Signalverf u¨ gbarkeit ist der Prozentsatz der Zeit, w¨ahrend dem die Signalqualit¨at (die Sollbitfehlerrate) nicht unterschritten wird. Im Gegensatz zum Kabel kann der Nutzer Satellitenstrecken i.A. selbst auslegen. So wie der Kaufmann seine Zinss¨atze mit Z = (z − 1) · 100 in % transformiert, da Z = 5,635% fassbarer ist als der Wert 1,05635, transformiert der Fernmeldetechniker seine (in Kleinbuchstaben angegebenen) physikalischen Gr¨ossen zu (in Grossbuchstaben angegeben) dB-Werten: C = 10 log(c) in dBW, und zur¨uck c = 100,1C in [W]

(5.1)

Den Werten ist „dB“ vorgesetzt: 100 W entspricht C = 10 log(100) W = 20 dBW. Die Rechnungsarten Multiplikation und Division werden im dB-Bereich zu Addition und Subtraktion (g/t wird zu GT). Die aufwendigen Rechenarten Potenzieren und Wurzelziehen werden zur einfacheren Multiplikation bzw. Division. Intuitiv schlecht fassbare Werte wie 1,38 · 10−23 Ws/K werden zu greifbaren Werten wie −228,6 dBWs/K (die Boltzmannzahl). Die wesentlichen Gr¨ossen der Funkstrecke sind: C N T

= Tr¨agerleistung auf der Hochfrequenz¨ubertragungsstrecke, in dBW = Rauschleistung auf der Hochfrequenz¨ubertragungsstrecke, in dBW = Rauschtemperatur in der Hochfrequenzlage, in dBK

B FD PL AD

= Bandbreite in der Hochfrequenz, in dBHz = Funkfeld-Dispersion ohne Atmosph¨aren- und Regend¨ampfung, in dB = Path Loss = Dispersion, Atmosph¨aren- und Regend¨ampfung, in dB = Atmosph¨aren-D¨ampfung, in dB

RD K G P

= Regend¨ampfung, in dB = Boltzmannzahl = −228,6 dBWs/K (k = 1,38 10−23 J/K) = Gewinnfaktor einer Antenne in der Strahlachse, in dBi = Sendeleistung eines Verst¨arkers, in dBW.

Die Tr¨agerleistung C einer Funkstrecke (Funk¨ubertragung) ist proportional zur Sendeleistung Pt , zum Sende- und zum Empfangsgewinn Gt und Gr und vermindert um den Path Loss PL: C

Pt

=

[dBW]

+ Gt − V − PL + Gr

[dBW]

[dBi]

[dB]

[dB]

[dBi]

(5.2)

Die Rauschleistung N in der Bandbreite B ist: N [dBW]

=

T [dBK]

−

K [dBWs/K]

−

B [dBHz]

(5.3)

5.1 Das Tr¨ager-Rauschleistungsverh¨altnis C-N

129

Damit ist das Verh¨altnis von Tr¨agerleistung C zu Rauschleistung N am Empf¨anger gegeben durch: C −N = [dB]

Pt [dBW]

+ Gt − V − PL + Gr − [dBi]

[dB]

[dB]

T

[dBi]

K

−

[dBK]

−

B

[dBWs/K]

[dBHz] (5.4) Diese Formel gilt fu¨ r alle Funkverbindungen, terrestrisch (Richtfunk oder Rundfunk) oder u¨ ber Satellit (Auf- oder Abstrecke). Die Verbundgr¨ossen C-N, EIRP, PL und G-T sind n¨utzlich: C-N = C − N (5.5) ist das Verh¨altnis von Tr¨agerleistung c zu Rauschleistung n: nicht die absolute Leistung ist kennzeichnend, sondern das Verh¨altnis von Signalleistung zu Rauschleistung. EIRP = P + G − V (5.4) ist die Sendeleistung P des Verst¨arkers plus demAntennengewinn G abz¨uglich derVerluste V zwischen Verst¨arker und Antenne, die Equivalent to Isotropic Radiated Power (EIRP) (s. Kap. 5.1.4.2) und wird bei Erdfunkstellen- und Satellitensendern gleichermassen verwendet. PL = FD + AD + RD

(5.5)

ist die Freiraum-Dispersion FD (Free Space Attenuation) im Vakuum + Atmosph¨aren-D¨ampfung AD (trockene Atmosph¨are) + Regen-D¨ampfung RD; G-T = G − T

(5.6)

ist das Verh¨altnis von Antennengewinn G zu Rauschtemperatur T des Empfangssystems; die Begr¨undung lautet wie bei C-N und wird bei Erdfunkstelle wie beim Satelliten verwendet. Diese Verbundwerte werden i.A. anstatt der Einzelgr¨ossen verwendet. In der Dezibel-Ebene kann so das C-N auf die u¨ bersichtlichere Form gebracht werden: C-N = EIRP − PL + [dB]

[dBW]

[dB]

G-T [dBi/K]

K

−

[dBWs/K]

−B

in [dB]

[dBHz]

(5.7)

bzw. das meist verwendete Tr¨ager/Rauschleistungsdichteverh¨altnis C-N o = EIRP − PL + G-T − K

in [dBHz]

(5.8)

¨ Abbildung 5.2 zeigt die Glieder der Ubertragungsstrecke vom Modulatorausgang, via Satellit, bis zum Demodulatoreingang.

5.1 Das Trager-Rauschleistungsverhaltnis C-N 5.1.1 Die Tragerleistung C Das Tr¨ager/Rauschleistungsverh¨altnis c/n ist durchg¨angig (Aufstrecke, Intermodulation, Abstrecke, St¨orungen) auf dieselbe Tr¨agerleistung c bezogen. Es ist so

130

5 Das Relais im Orbit und die Streckenbilanz

¨ Abb. 5.2 Die Ubertragungsstrecke von Modulatoreingang bis Demodulatorausgang

gesehen also das Rauschleistungs-zu-Tr¨agerleistungs-Verh¨altnis n/c, das man betrachtet und u¨ ber die Strecke aufaddiert. 5.1.2 Die Rauschleistung N F¨ur die thermische Rauschleistung n gilt die Johnson-Beziehung n =t ·k ·b

in [W] bzw. N = T + K + B

in [dBW].

(5.9)

Am Flansch der Empfangsantenne stehen Rauschanteile von Antenne und Empf¨anger mit den nachgeordneten Stufen. Der erste Rauschanteil besteht aus dem Rauschen der Antenne zuz¨uglich dem Rauschen, das die Antenne empf¨angt. Eine auf die Erde gerichtete Satellitenantenne sieht die 280◦K der Erde unabh¨angig von der Entfernung zwischen Strahler und Empfang. Dies sagt der zweite Hauptsatz der W¨armelehre aus:  In Wechselwirkung stehende K¨orper streben Temperaturgleichheit an. Die Abb. 5.3 zeigt die bei 14 GHz (Ku-Band Uplink) gemessene Strahlung der Erde. Der Emissionswert von Wasser ist sehr viel schlechter als der von Land; die Ozeane strahlen mit etwa 140◦ K, die Landmassen mit 240◦ K bis 280◦ K. In Unkenntnis des genauen Ortes einer Erdfunkstelle sollte generell der schlechteste Fall, die 280◦ K, f u¨ r die Streckenbilanz verwendet werden. Die Rauschtemperatur bzw. ihre Strahlungsleistung ist unpolarisiert.Wird sie mit einer polarisierten Antenne empfangen, reduziert sich der Wert auf 140◦ K pro Polarisation. Aus Industriegebieten empf¨angt der Satellit jedoch auch Emissionen, die die Rauschtemperatur auf bis zu 280◦K (pro Polarisation) steigern k¨onnen (s.Abb. 5.3). Die Emission der Erde geht bei Wellenl¨angen  < 3‹m gegen Null. Mit der Johnson-Beziehung ist die Rauschleistung einer auf die Erde schauenden Antenne in beliebiger Erdentfernung bei beliebiger Frequenz in z.B. 4 kHz Bandbreite Nsat,rec = 10 log(290 K) + K + 10 log(4 kHz) Nsat,rec = 24,6 dBK − 228,6 dBWs/K + 36,0 dBHz = −168,0 dBW.

5.1 Das Tr¨ager-Rauschleistungsverh¨altnis C-N

131

Abb. 5.3 Gemessene Strahlung der Erde bei 14 GHz (ESA/EUTELSAT-Modell)

Nun muss Csat,rec ≥ −168,0 dBW sein, damit C ≥ N, die Tr¨agerleistung gr¨osser als die Rauschleistung ist. Bei der Frequenz 1,0 GHz, Gsat = 60 dBi und PL = 185 dB (am Rand der Erde) wird damit EIRPuplink = −44 dBW pro Tr¨ager. Die Rauschtemperatur der „in den Himmel schauenden“ Bodenantenne h¨angt von ihrem H¨ohenwinkel (der Elevation) und der Frequenz ab (s. Abb. 5.4). Sie wird mit Gleichung 5.9 in die Rauschleistung umgesetzt. Neben dem thermischen Rauschen nth gibt es das Intermodulationsrauschen nim und das St¨orrauschen (die Interferenz) nin : n = nth + nim + nin

(5.10)

Damit sind C und N, und damit das Tr¨ager/Rauschleistungsverh¨altnis C-N, definiert.

Abb. 5.4 Gemessene Rauschtemperatur THimmel bei 4 GHz (f¨ur " = 0◦ ist t = 280 K)

132

5 Das Relais im Orbit und die Streckenbilanz

5.1.3 Das Trager/Rauschleistungsdichteverhaltnis Das Tr¨ager/Rauschleistungs-Verh¨altnis c/n ist das Produkt des Tr¨ager/Rauschleistungsdichte-Verh¨altnisses c/no mit der Bandbreite b bzw. C-N = C-N o + B

(5.11a)

wobei No = K + T

fu¨ r

f < 3 THz

(5.11b)

No = H + V

f u¨ r

f > 3 THz

(5.11c)

bzw. mit k = 1,380 10−23 J/K bzw. K = −228,6 dBJ/K, die Boltzmann-Konstante und h = 6,626 10−34 Js bzw. H = −331,8 dBJ, das Plancksche Wirkungsquantum. 5.1.4 Das Trager/Rauschleistungsverhaltnis serieller Strecken Zur Berechnung des Gesamt-Tr¨ager/Rauschleistungsverh¨altnisses m¨ussen die dBWerte in lineare Gr¨ossen r¨uckgewandelt und die Rauschleistungen n auf dieselbe Tr¨agerleistung c skaliert (durch Multiplikation von Z¨ahler und Nenner) und dann addiert werden – die loginverse Reziprokaddition: ntotal nup nint er mod ndown nint erferenz = + + + , c c c c c so dass

(5.12) c ntotal

1 = n nint er mod ndown nint erferenz up + + + c c c c

Mit Gleichung 5.12 erh¨alt man das Gesamt-Tr¨ager/Rauschleistungsverh¨altnis C-N total . Es ist immer kleiner als das kleinste der C-N-Verh¨altnisse, da sich die Rauschleistungen addieren. Um wie viel (D) das Resultat unter dem kleineren zweier Werte liegt, ist in Tabelle 5.1 als Funktion ihrer Differenz  = (C-N 1 ) − (C-N 2 ) aufgelistet. Beispiel:

Gegeben seien C-N 1 = 20 dB und C-N 2 = 20 dB, dann ist

 = (C-N 1 ) − (C-N 2 ) = 0 dB und D = −3,01 dB, also C-N gesamt ∼ = 17 dB. Gegeben seien C-N 3 = 20 dB und C-N 4 = 30 dB, dann ist  = (C-N 4 ) − (C-N 3) = 10 dB ⇒ D = −0,41 dB, also C-N gesamt ∼ = 19,6 dB. F¨ur   10 dB kann man das gr¨ossere Verh¨altnis vergessen: C-N gesamt ∼ = C-N kleiner .

5.1 Das Tr¨ager-Rauschleistungsverh¨altnis C-N

133

Tabelle 5.1 D-Werte (in dB) zur Addition von Dezibelverh¨altnissen der Differenz  (in dB) 

D



D



D



D



D



D

0,0

3,01

2,0

2,12

4,0

1,45

6,0

0,97

8,0

0,64

10,0

0,41

0,1

2,96

2,1

2,08

4,1

1,43

6,1

0,95

8,1

0,63

10,2

0,40

0,2

2,91

2,2

2,04

4,2

1,40

6,2

0,93

8,2

0,61

10,4

0,38

0,3

2,86

2,3

2,01

4,3

1,37

6,3

0,91

8,3

0,60

10,6

0,36

0,4

2,81

2,4

1,97

4,4

1,35

6,4

0,90

8,4

0,59

10,8

0,35

0,5

2,77

2,5

1,93

4,5

1,32

6,5

0,88

8,5

0,57

11,0

0,33

0,6

2,72

2,6

1,90

4,6

1,29

6,6

0,86

8,6

0,56

11,2

0,32

0,7

2,67

2,7

1,87

4,7

1,27

6,7

0,84

8,7

0,55

11,4

0,30

0,8

2,63

2,8

1,83

4,8

1,24

6,8

0,82

8,8

0,54

11,6

0,29

0,9

2,58

2,9

1,80

4,9

1,22

6,9

0,81

8,9

0,53

11,8

0,28

1,0

2,54

3,0

1,76

5,0

1,19

7,0

0,79

9,0

0,52

12,0

0,27

1,1

2,50

3,1

1,73

5,1

1,17

7,1

0,77

9,1

0,50

12,5

0,24

1,2

2,45

3,2

1,70

5,2

1,15

7,2

0,76

9,2

0,49

13,0

0,21

1,3

2,41

3,3

1,67

5,3

1,12

7,3

0,74

9,3

0,48

13,5

0,19

1,4

2,37

3,4

1,64

5,4

1,10

7,4

0,73

9,4

0,47

14,0

0,17

1,5

2,32

3,5

1,60

5,5

1,08

7,5

0,71

9,5

0,46

15,0

0,14

1,6

2,28

3,6

1,57

5,6

1,06

7,6

0,70

9,6

0,45

16,0

0,11

1,7

2,24

3,7

1,54

5,7

1,04

7,7

0,68

9,7

0,44

20,0

0,04

1,8

2,20

3,8

1,51

5,8

1,01

7,8

0,67

9,8

0,43

25,0

0,01

1,9

2,16

3,9

1,48

5,9

0,99

7,9

0,65

9,9

0,42

30,0

0,00

5.1.4.1 Die Rauschzahl NF Die Rauschzahl (Noise Figure) ist definiert als nf =

t + 290K 290K

(5.13)

mit t der Systemrauschtemperatur. Auch die Rauschzahl wird meist in dB angegeben: NF = 10 log(nf ). (5.14) Zum Beispiel bedeutet NF = 0,2 dB dass t = 14 K. Die Systemrauschzahl nfsystem einer Kette von Sub-Systemen mit den Rauschzahlen nfi und den Leistungsverst¨arkungen gi ist nfsytem = nf1 +

nf2 − 1 nf3 − 1 nf4 + + + ... g1 g1 · g2 g1 · g2 · g3

(5.15)

Die Abb. 5.5 zeigt die Rauschzahl NF als Funktion der Rauschtemperatur t auf der Logarithmusspirale.

134

5 Das Relais im Orbit und die Streckenbilanz

Abb. 5.5 Die Rauschzahl NF in dB als Funktion der Rauschtemperatur t in Kelvin

5.1.4.2 Die EIRP Die Sendeleistung P Die elektrische Sendeleistung P des Hochleistungsverst¨arkers, um die Leitungsverluste V (≈ 1 dB) vermindert,wird in die Antenne eingespeist.Typische C-Band Werte sind ca.20 bis 40 Watt,im Ku-Band 50 bis 150 Watt und im Ka-Band 20 bis 120 Watt. Die Wanderfeldr¨ohrenverst¨arker einschliesslich Leistungsversorgung haben 50% bis zu 80% Wirkungsgrad, Halbleiterverst¨arker ca. 50%. Die Blindleistung muss in den Weltraum abgestrahlt werden. Bei Fernmeldesatelliten der 20 kW-Klasse erfordert dies entsprechende konstruktive Massnahmen. Der Sendegewinn G Ein Kugelstrahler mit dem Gewinn G = 0 dBi strahlt Ps = 1 kW ab. In einer Entfernung d wird die Leistung pro Fl¨ache Ar gemessen. Um die gleiche Leistung zu messen, muss eine Antenne mit einem Gewinn von z.B. G = 60 dBi nur eine

5.1 Das Tr¨ager-Rauschleistungsverh¨altnis C-N

135

Sendeleistung von 1 mW abstrahlen. Die EIRP ist dann in beiden F¨allen gleich (s. Abb. 5.6). Dies ist die Funktion des Gewinns: Der durch die Richtwirkung erzielte Gewinn g ist das Verh¨altnis des Gesamtraumwinkels 4 der ungerichteten Ausstrahlung zu dem von der Apertur A aufgespannten Teilraumwinkel 2 /A2 bei gerichteter Ausstrahlung. Der Antennengewinn f u¨ r den Empfang ist: gr =

4Ar 2

(5.16a)

bzw. sendeseitig

4At (5.16b) 2 mit  der Wellenl¨ange ( = c/f = 3 · 108/f , in [m]). Die Apertur ist A = r 2 mit r dem Durchmesser der Rundantenne; bei rechteckigen Antennen der Seitenl¨angen a und b ist der a¨ quivalente Durchmesser  ab d=2 .  gt =

Der Wirkungsgrad der Antenne kann bei Erdfunkstellen bis zu 80% erreichen, bei kosteneffektiven Fernsehempfangsantennen ca. 50%.

Abb. 5.6 Ungerichtete Rundumstrahlung und gerichtete Ausstrahlung; Definition der EIRP

Die einzelnen Beitr¨age zum Wirkungsgrad einer Parabolantenne mit z.B. 4,5 m Durchmesser, fu¨ r den Betrieb im C-Band (4/6 GHz), sind in Tabelle 5.2 zusammen gestellt. Die EIRP Die gerichtete Abstrahlung relativ zur isotropischen Rundumstrahlung (Effective to Isotropic Radiated Power; eirp in [W] bzw. EIRP in [dBW]) ist das Produkt der Sendeleistung und des Antennengewinns, vermindert um die Verluste v zwischen Sendeverst¨arker und Antenne:

136

5 Das Relais im Orbit und die Streckenbilanz Tabelle 5.2 Typische Verlustfaktoren Vi von Parabolantennen

1 1.1 1.2 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 3 3.1 3.2 4

Vi in dB

in %

0,09 0,13

0,98 0,97

0,18 0,55 0,12 0,32 0,22

0,96 0,88 0,97 0,93 0,95

0,25 0,04 1,90

0,94 0,99 0,64

Das Erregersystem Erregerwirkungsgrad Ohmsche Verluste Der Reflektor Oberfl¨achengenauigkeit Beugungsverluste Ausleuchtungswirkungsgrad Abschattungen durch Struktur Phasenfehler Ausrichtung Ausrichtfehler Polarisationsreinheit Summenfehler

eirp = pg/v

[W]

(5.17)

bzw. der Summe der beiden Komponenten in dB-Werten: EIRP = P + G − V

[dBW]

(5.18)

Die empfangene Leistung Nat¨urlich wird nicht nur die elektrische Sendeleistung durch die Abstrahlung mit einer Antenne um den Antennengewinn verst¨arkt (s. Abb. 5.6), sondern umgekehrt auch die empfangene Leistungsflussdichte (in W/m2 ), die mit ihrer Querschnittsfl¨ache (Apertur) die ebene Welle der elektromagnetischen Ausbreitung auff¨angt. Der Antennengewinn der Aperturantenne geht mit der Querschnittsfl¨ache; so wie mit einem umgekehrt gehaltenen Regenschirm umso mehr Regenwasser aufgenommen werden kann, desto gr¨osser der Regenschirm, wird mit der Antenne umso mehr Leistung gewonnen, je gr¨osser ihre Apertur. 5.1.4.3 Die Ausbreitungsverluste PL Die Dispersion FD Ein isotroper Sender strahlt die Leistung pt gleichf o¨ rmig rundum in den Raum. Die Leistung durchdringt eine gedachte Kugel mit Radius d um den isotropen Strahler mit rundum der gleichen Leistungsflussdichte (in W/m2 ). Die Summe der die Kugeloberfl¨ache durchdringenden, radial nach aussen gerichteten Leistung pt (es geht keine Leistung verloren) bzw. die Leistungsflussdichte (Power Flux Density, PFD) auf der Kugeloberfl¨ache ist pdf =

pt (4 ·  · d 2)

in [W/m2 ]

(5.19a)

5.1 Das Tr¨ager-Rauschleistungsverh¨altnis C-N

137

und PDF = 10 log(pdf )

in [dBW/m2 ].

(5.19b)

Dies ist der Effekt der Dispersion, der Verteilung der Sendeleistung auf eine Kugeloberfl¨ache. Trifft diese Leistungsflussdichte auf eine Apertur Ar , dann ist die Empfangsleistung Pr das Produkt der Leistungsflussdichte (Power Flux Density; PFD) und der Empfangsapertur Ar : p t · Ar pr = in [W] (5.20) 4 · d 2 Die frequenz- und entfernungsabh¨angige Freiraumdispersion ist in Abb. 5.7 aufgezeigt.

Abb. 5.7 Die Funkfeld-Dispersion FD gegen Entfernung d und Frequenz f

Wird die Ausstrahlung durch eine Sendeantennenapertur unterst¨utzt, wird pr =

p t g t At 4 ·  · At Ar = pt · = 2 2 4· ·d  4 ·  · d2

= pt

2 pt · g t · g r pt · g t · g r 4 ·  · At 4 ·  · Ar · · =  2 = 2 2 (4 ·  · d)2 f ·d 4· ·d 

(5.21)

mit der Funkfeld-Dispersion  f ·d =

4· ·d 

2 (5.22a)

138

5 Das Relais im Orbit und die Streckenbilanz

bzw. FD = 20 log die zu

4· ·d·f c

in dB

(5.22b)

pt · gt · g· pr =   4 · d 2 

(5.22c)

f u¨ hrt. Die FD ist die Vergr¨osserung der Strahlungsfl¨ache mit zunehmendem Abstand vom Sender: Es ist keine D¨ampfung sondern eine Strahlungsdispersion.Die FD zum GEO-EOC (dem Geostation¨aren Erd-Orbit, Edge Of Coverage; Rand der Erde) ist: bei 1 GHz bei 30 GHz

185 dB 215 dB

bei 3 GHz bei 100 GHz

195 dB 225 dB

bei 10 GHz bei 300 GHz

205 dB 235 dB

Der Unterschied zwischen EOC und Nadir betr¨agt (frequenzunabh¨angig) 1,3 dB. Alternativ zu Abb. 5.7 kann die frequenz- und entfernungsabh¨angige Freiraumdispersion auch aus dem Nomogramm in Abb. 5.8 abgelesen werden:

Frequenz (GHz) 100

40 000 km 220 dB

20 000 km 10 000 km

50

200 dB

5 000 km

30 20 180 dB 10 5

160 dB

1 000 km 500 km

3 2

140 dB

1 120 dB

100 km Entfernung

0.5 0.3 0.2

Funkfelddispersion

0.1

Abb. 5.8 Nomogramm f¨ur die frequenz- und entfernungsabh¨angige Freiraumdispersion

5.1 Das Tr¨ager-Rauschleistungsverh¨altnis C-N Beispiel 1: Beispiel 1: Beispiel 1: Beispiel 1:

die oberste Linie, die 2. oberste Linie, die 3. oberste Linie, die unterste Linie,

EHF/GEO Ku-Band/GEO L-Band GEO UHF/LEO

139

216 dB 204 dB 186 dB 138 dB

Der Einheitsgewinn UG Der Einheitsgewinn (Unit Gain) ug in [m−2 ] bzw. UG in [dB/m2 ] ist definiert als Funktion der Wellenl¨ange : ug = 4/2

in [m−2 ]



 4· in [dB/m2 ] 2 In der Tabelle sind g¨angige Einheitsgewinne gezeigt: bzw.

UG = 10 log

(5.23)

Tabelle 5.3 Ei