Satellitenkommunikation, 2.Auflage GERMAN

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 fu¨ 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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

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

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

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 f u¨ 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 fu¨ 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 f u¨ 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 Ho rfunk 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 fu¨ 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 Verf u¨ 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 f u¨ 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) f u¨ 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 Satelliten vom Boden (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).

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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, f u¨ 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:

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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 verf u¨ 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 fu¨ 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 f u¨ 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: G · m · Me m · v2 > 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 · 10−11m3 · 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 = 9,952 · 10 (2.12) T =2·  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  (2.14) cos  = cos(lon) · cos(lat): d = RErde p2 − 2 · p · cos  + 1 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 fu¨ 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 (2.18) dant = (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 f u¨ 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 Weiterf u¨ 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 – f u¨ 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 f u¨ 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 Ho he; 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 Ho he 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 f u¨ 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

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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; f u¨ 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 fu¨ 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 fu r 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 fu r 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 fu r 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 f u¨ r eine garantierte Elevation von 12,3◦ beim Nutzer. 2.4.5 Zusammenfassung Bei den Satellitenbahnen f u¨ 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 hierf u¨ 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 f u¨ r die anderen Mitglieder transparent bleiben, bringt Vorteile mit sich, nicht nur f u¨ 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

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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 f u¨ 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 f u¨ 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 f u¨ 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 Verf u¨ 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

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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 gef u¨ 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“.

48

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 f u¨ 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 f u¨ 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 f u¨ r einen St¨orer bzw. C-I > 30 dB f u¨ 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. f u¨ 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 f u¨ 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 f u¨ 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 f u¨ 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 f u¨ 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

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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 f u¨ 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 f u¨ r Telekommunikation und Post,

3.10 Institutionen

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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 f u¨ 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 f u¨ 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 f u¨ 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 f u¨ 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 f u¨ 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

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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 f u¨ 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 fu¨ 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 f u¨ 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

Entbündelung Demultiplexing

Verschlüsselung Encryption

Entschlüsselung Decryption

Qellencodierung Source Coding Digitalisierung Digitization

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

u2 dt = 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 f u¨ 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 f u¨ r die Ubertragung eines Fernsehbildes notwenig4 , etwa – 1,6 Gbit/s f u¨ r ein 16 × 9-HDTV mit 1250 Zeilen, also – 3,2 Gbit/s f u¨ 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 f u¨ 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 f u¨ 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 Verschlu sselung ¨ 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

89

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; f u¨ 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 f u¨ 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 = M e {mod n}.

(4.10a)

Entsprechend erfolgt die Dechiffrierung mit dem geheimen Schl¨ussel, die ganze, positive Zahl d: (4.10b) M = C d {mod n}. 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 = s a∗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 Verschlu sselung 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 f u¨ 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 Frequenzbu ndelungsverfahren 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 f u¨ 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 Zeitbu ndelungsverfahren 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 Codebu ndelungsverfahren CDM In Analogie zu TDM und FDM k¨onnten Signale im Code Division Multiplex (CDM) ¨ im Basisband u¨ berlagert werden, das dann fu¨ 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 f u¨ 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 f u¨ r den bin¨aren symmetrischen Kanal identisch sind, kann der Convolutional Code (Faltungscode) durch den Pfad kleinster Abweichungen dargestellt werden. Zustand t1

t3

t2

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 f u¨ 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 hinzugefu¨ 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) ⎤2 ⎡ T ⎡ ⎤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, fu¨ 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 f u¨ 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

e− e− e− e− e− e− e− eb e−

= √

= √

= √

= √

= √

= √

= √

= √ 2  2  2  2  ... ... ... no 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

f o + 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 f u¨ 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 f u¨ 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 f u¨ 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 f u¨ 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 verf u¨ 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, f u¨ 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, fu¨ 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 verf u¨ 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 beno tigte 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); hierf u¨ 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,  s cc = 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 d B

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 f u¨ 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 f u¨ 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

f u¨ 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: nup nint er mod ndown nint erferenz ntotal = + + + , 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, f u¨ 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 : pt · 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 =

pt gt At Ar 4 ·  · At = pt · = 2 2 4· ·d  4 ·  · d2

= pt

2 p t · gt · gr p t · gt · gr 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

1 000 km 500 km

5

160 dB

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 Einheitsgewinnzahlen f¨ur verschiedene Frequenzen Frequenz 0,2 GHz 0,3 GHz 0,8 GHz 1,6 GHz 5,9 GHz 8,4 GHz 14 GHz 30 GHz 44 GHz

Wellenl¨ange in cm 150 100 37,5 18,75 5,08 3,57 2,14 1,00 0,68

Einheitsgewinn in dB/m2 7,47 10,99 19,51 25,53 36,87 39,94 44,37 50,99 54,32

Die Empfangsleistung Die spezifische Empfangsleistung w in [W/m2 ] (bzw. W in [dBW/m2 ]) muss oft in der absoluten Leistung p in [W] ausgedr¨uckt werden. Hierzu bezieht man die spezifische Leistung auf den Einheitsgewinn (Unit Gain) UG (siehe oben): p = w/ug bzw. P = W − UG Beispiel:

Eine Satellitenempfangsleistung bei 14 GHz ist Ws = −100 dBW/m2 in der S¨attigung. Der Unit Gain bei 14 GHz ist 10 log(4/2 ) = 44,4 dB/m2 . Die Absolutleistung am Satelliten ist P = −100 dBW/m 2 − 44,4 dB/m2 = −144,4 dBW.

(5.24)

140

5 Das Relais im Orbit und die Streckenbilanz

Die Feldstarke Die Feldst¨arke fs berechnet sich aus der Leistung p nach  Z0 · p in V/m fs = d

(5.25)

wobei d die Entfernung vom die Leistung p abstrahlenden Sender ist und Zo der Luftwellenwiderstand (die Impedanz des Raumes):  0 Z0 = = 120 ·  · § = 377 § (5.26) "0 Die Feldst¨arke fs (in [V/m]) wandelt man in die Leistungsdichte ws (in [W/m2 ]) durch ws = fs2 /Zo bzw. mit Fs = 10 log (fs ) in [dB‹V/m],   V −10 log (377 §) = 2·FS −145,8 dB WS = 2·FS +20 log 10−6 m

in [W/m2 ] (5.27)

Beispiel: F¨ur das digitale Fernsehen im Band 620–790 MHz sei die Feldst¨arkeuntergrenze z.B. Fs = 51 dB‹V/m. Dann entspricht dies der Leistungsdichte Ws = 2 · 51 − 145,8 dBW/m 2 = −43,8 dBW/m 2. Um wie viel m¨usste dieses Band partagierendes Satellitensignal schw¨acher sein, um das terrestrische Fernesehen nicht zu st¨oren? Nimmt man ein Tr¨ager/Rauschleistungs-Verh¨altnis von 20 dB an, dann liegt die Rauschleistung des TV-Signals bei −43,8 dBW/m2 − 20 dB = −63,8 dBW/m 2. Nun muss die St¨orleistung weniger als 6% dieser thermischen Rauschleistung sein, also −63,8 dBW/m2 − 12,2 dB = −76,0 dBW/m 2 . Damit wird das Satellitensignal das Fernsehen nicht unzul¨assig st¨oren. Die Verluste AD in der trockenen Atmosphare Neben der Dispersion erf¨ahrt die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen auch Absorption in der trockenen Atmosph¨are (s. Tabelle 5.4). Die Regendampfung RD Zus¨atzlich zu der Dispersion und Absorption in der trockenen Atmosph¨are erf¨ahrt die Ausbreitung Verluste in der „nassen“ Atmosph¨are (Additional Attenuation, bei allen Arten von Niederschl¨agen).Das Ausbreitungsverhalten des Signals wird durch seine Amplitude, Phase und Polarisation beschrieben. Das Amplitudenverhalten als Funktion der Tr¨agerfrequenz ist in Abb.5.9 f u¨ r den Bereich 100 MHz bis 100 GHz aufgezeigt. Es veranschaulicht die mit der Frequenz ansteigende Funkfeldd¨ampfung. Hervorzuheben sind die beiden „Stop Bands“ bei

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

141

Tabelle 5.4 Atmosph¨arische D¨ampfung AD Elevation ⇓ 0◦ 1◦ 5◦ 10◦ 15◦ 25◦ 45◦ 60◦ 90◦

1 GHz [dB] 0,61 0,61 0,22 0,11 0,08 0,05 0,03 0,02 0,02

4 GHz [dB] 1,54 1,53 0,55 0,29 0,19 0,12 0,07 0,06 0,05

6 GHz [dB] 1,90 1.87 0,67 0,35 0,24 0,15 0,09 0,07 0,06

11 GHz [dB] 3,02 2,79 0,99 0,52 0,35 0,21 0,13 0,11 0,09

14 GHz [dB] 4,67 4,01 1,42 0,74 0,50 0,31 0,18 0,15 0,13

18 GHz [dB] 10,93 8,34 2,91 1,52 1,03 0,63 0,37 0,31 0,27

30 GHz [dB] 27,32 13,25 4,63 2,42 1,63 1,00 0,59 0,49 0,42

24 und 60 GHz, den Eigenfrequenzen der Wasserstoff- bzw. Ozon-Molek¨ule in der Atmosph¨are, die die elektromagnetischen Wellen absorbieren. Ein f u¨ r die Navigation vorteilhafter Bereich ist das Dekollet´e bei 5 GHz (s. Abb. 5.9), zwischen der ionosph¨arischen Szintillation und insbesondere der f u¨ r die Laufzeitmessung (die Grundlage der Navigation) desastr¨osen Laufzeitverz¨ogerungen (Latenz) zur Linken und der atmosph¨arischen D¨ampfung zur Rechten.

Abb. 5.9 Zusatzd¨ampfung in dB/km von 100 MHz bis 100 GHz

142

5 Das Relais im Orbit und die Streckenbilanz

Das Amplitudenverhalten gegen Tr¨agerfrequenz ist in Abb. 5.10 (per ITU/CCIR Berichte 719,721) von 10 GHz bis 1 PHz (1 PHz = 1 000 Tera-Herz; 1 THz = 1 000 GHz = 1012 Hz; 1 ExaHerz = 1018 Herz1 ) dargestellt. Die jeweils zutreffende Zusatzd¨ampfung Nebel, Starker Regen, mittlerer Regen oder Nieselregen ist zu der D¨ampfung der Trockenen Atmosph¨are AD zu addieren. Da die Regend¨ampfung f u¨ r f > 200 GHz leicht r¨uckl¨aufig ist, die Nebeld¨ampfung ab ca.100 THz stagniert und die trockeneAtmosph¨are stark r¨uckl¨aufig ist (von fast 1 000 dB/km auf unter 0,1 dB/km ab 300 THz), wird der Bereich von 10 bis 300 THz (die Grenze zur Optik) zuk¨unftig Anwendung finden. Lichtwellen beginnen etwa f u¨ r  = 1 bei f = 300 THz, wo in Abb. 5.10 die Atmosph¨arend¨ampfung aufh¨ort zu oszillieren. Die trockene Atmosph¨are d¨ampft in diesem Bereich mit weniger als 0,1 dB/km, und selbst mittelstarker Regen d¨ampft „nur“ 10 dB/km. Die Wegstrecke, u¨ ber die diese Zusatzd¨ampfung entsteht, ist f u¨ r Satellitenverbindungen ca. 3 km, die Gesamtd¨ampfung bei mittelstarkem Regen also ca. 30 dB. Extreme D¨ampfungseffekte herrschen bei 24, 60, 105 und 195 GHz. Diese StopBand-Frequenzen sind f u¨ r den kommerziellen Satellitenfunk nicht geeignet, da sie von der Atmosph¨are so ged¨ampft werden, dass zuverl¨assige Kommunikation nicht betriebswirtschaftlich m¨oglich ist. In speziellen Anwendungen (z.B. in der verdeckten Kommunikation) ist gerade diese Eigenschaft jedoch von Vorteil.

Abb. 5.10 Zusatzd¨ampfung in dB/km von 10 GHz bis 1 000 THz

Unter 5 GHz tritt eine Laufzeitverz¨ogerung auf, weil die elektromagnetische Welle sich nicht geradlinig ausbreitet. Diese Verz¨ogerung ist unter anderem vom Elevationswinkel " abh¨angig und f u¨ r kleine Elevationswinkel " besonders deutlich (s. Abb. 5.11). Je niedriger die Frequenz und je niedriger der Elevationswinkel, desto 1

103 Hz = 1 kHz (kilo-Herz), 106 Hz = 1 MHz (Mega-Herz), 109 Hz = 1 GHz (Giga-Herz), 1012 Hz = 1 THz (Tera-Herz), 1015 Hz = 1 PHz (Peta-Herz), 1018 Hz = 1 EHz (Exa-Herz). 1021 Hz = 1 DHz. . .

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

143

Abb. 5.11 Nichtgeradlinige Ausbreitung bei geringer Elevation

l¨anger ist der Weg durch die Ionosph¨are und desto h¨oher der Auftreffwinkel (der aktuelle Elevationswinkel "). ˜ Die tats¨achliche Elevation "˜ ist gr¨osser als die geradlinige Verbindung. Damit kann ein bisschen u¨ ber den Horizont geschaut werden (bei 1,5 GHz z.B. bis zu " = −2,5◦ ). F¨ur die von der Laufzeit des Signals abh¨angige Funkortung sind diese Frequenzen (das L-Band) aus diesem Grund ungeeignet. Es k¨onnen Nachrichten (mit entsprechenden Leistungen) u¨ bertragen werden, Antennennebenkeulen werden effektiv unterdr¨uckt, und ausserhalb der gew¨unschten Strecke d¨ampft die Atmosph¨are, so dass das Mith¨oren schwierig wird. Abbildung 5.12 zeigt die Klimazonen der Erde (s. auch Kap. 5.4 zur Verf u¨ gbarkeit). Die Zone mit der kleinsten Regend¨ampfung ist „A“ (z.B. die Sahara, von Dakar bis Saudi Arabien); die Zone mit den st¨arksten Niederschl¨agen ist „P“ (z.B. das Amazonasdelta). Die Zone „E“ zieht von der Ostsee durch die norddeutsche Tiefebene, an der Kanal- und Atlantikk¨uste bis in die Biscaya, in Deutschland n¨ordlich der Schr¨age von Frankfurt nach Berlin. S¨udlich dieser Schr¨age, bis zur Linie Basel-Salzburg, ist die Zone „H“, s¨udlich davon, vom Alpenvorland bis zum Mittelmeer, die Zone „K“.

Abb. 5.12 Die globalen Klimazonen (A = Zone kleinster, Z = gr¨osster Regend¨ampfung)

144

5 Das Relais im Orbit und die Streckenbilanz

F¨ur Zentraleuropa (ausser den Alpen) kann (der Einfachheit halber) durchg¨angig die Zone „H“, beziehungsweise als „worst case“, die Zone „K“ angenommen werden. Die Abb. 5.13, 5.14 und 5.15 zeigen die Additional Attenuation (AA) f u¨ r die SignalVerf u¨ gbarkeiten 98,00%, 99,00% und 99,9%, also Ausfallszeiten von 15,2 Stunden, 7,6 Stunden und 45,6 Minuten im schlechtesten Monat des Jahres. Es sind die Ausbreitungsanomalien AA in den Klimazonen „A“,„E“,„K“ und „P“ dargestellt.

Abb. 5.13 Additional Attenuation f¨ur p = 98,0% Verf¨ugbarkeit als Funktion der Frequenz f in GHz, 50◦ n¨ordliche oder s¨udliche Breite (Definition der Klimazonen A, E, K, P s. Abb. 5.12)

Abb. 5.14 Additional Attenuation f¨ur p = 99,0% Verf¨ugbarkeit als Funktion der Frequenz f in GHz, 50◦ n¨ordliche oder s¨udliche Breite (Definition der Klimazonen A, E, K, P s. Abb. 5.12)

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

145

Abb. 5.15 Additional Attenuation f¨ur p = 99,9% Verf¨ugbarkeit als Funktion der Frequenz f in GHz, 50◦ n¨ordliche oder s¨udliche Breite (Definition der Klimazonen A, E, K, P s. Abb. 5.12)

Die Ausbreitungsanomalie AA nimmt mit zunehmender Sendefrequenz f u¨ berproportional zu und h¨angt sehr von der Klimazone (A, E, K, P) ab. Alle gezeigten D¨ampfungswerte gelten f u¨ r Senden oder Empfangen von 50◦ n¨ordlicher oder s¨udlicher Breite mit einem Elevationswinkel zum Satelliten von 20◦ . Die Werte f u¨ r AA sind umso gr¨osser je kleiner der Elevationswinkel zum Satelliten ist, und sie sind umso kleiner je gr¨osser der Breitengrad ist. Zusammenfassung Signaldampfung Im Gegensatz zur Funkfelddispersion, die f u¨ r eine gegebene Frequenz und Entfernung fest bestimmt ist, h¨angt die D¨ampfung der Atmosph¨are zus¨atzlich vom vorherrschenden Klima, vom Erhebungswinkel des Signalverlaufes u¨ ber dem Horizont, vom Breitengrad des Standortes der Erdfunkstelle und von der verlangten Streckenverf u¨ gbarkeit in Prozent der Zeit des schlechtesten Monats des Jahres ab. Die zutreffende Klimazone wird einfach von der Abb. 5.12 abgelesen, und meist liegen s¨amtliche Erdfunkstellen eines Netzwerkes in derselben (von 16 verschiedenen) Klimazone; die sinnvolle Definition der Dienstverf u¨ gbarkeit in Prozent der Zeit ist im Allgemeinen kritischer: hier k¨onnen durch eine leichtfertig hoch gesetzte Forderung schwer realisierbare Leistungen oder reduzierte Satelliten¨ubertragungskapazit¨at folgen. Insbesondere bei Frequenzen u¨ ber 10 GHz ist es sinnvoll, die Streckenverf u¨ gbarkeit nicht gleich der Dienstverf u¨ gbarkeitsforderung zu setzten, sondern ¨ ¨ Ubertragungsprotokolle,diversit¨ ate Erdfunkstellen und diversit¨are Ubertragungen einzusetzen, um mit zum Beispiel 99,0% Streckenverf u¨ gbarkeit die Dienstverf u¨ gbarkeit 99,99% zu erreichen. Sehr wirksam ist hier der Verbund der Satellitennetze mit terrestrischen Netzwerken, das Zusammenwirken mit metropolitanen Netzen und Erdfunkstellen am westlichen und o¨ stlichen Ende des Netzes,10 km entfernt und u¨ ber das terrestrische Netzwerk verbunden.

146

5 Das Relais im Orbit und die Streckenbilanz

Der heftige Niederschlag ist auf eine Zelle von circa 10 km Durchmesser begrenzt. Kommt das Unwetter von Westen auf die Region zu und f¨allt die westliche Erdfunkstelle dann aus, kann der Funkverkehr auf die o¨ stliche Funkstelle umgeleitet und aufrechterhalten bleiben, bis das Unwetter auf diese trifft. Dann ist aber die o¨ stliche Station wieder auf Sendung, und der Verkehr w¨urde trotz beliebig intensiven Niederschlages nicht unterbrochen. Die Mehrwegedampfung MD Das Mehrwegesignal entsteht durch Reflexion im Umfeld.Es erreicht den Empf¨anger zeitversetzt. Wenn das Mehrwegesignal um  verz¨ogert ankommt, kann es das Direktsignal ausl¨oschen; es bewirkt einen Signalschwund. Das Mehrwegesignal kann sogar zeitweilig gr¨osser als das Direktsignal sein. Da das Mehrwegesignal von derselben Quelle kommt, kann es nicht durch h¨ohere Signalleistung bek¨ampft werden. Eine Erh¨ohung der Sendeleistung um 1 dB erh¨oht auch das Mehrwegesignal um 1 dB; das Verh¨altnis von Direktsignalleistung zu Mehrwegesignalleistung bleibt konstant. Die M¨oglichkeiten, Mehrwegeeffekten zu begegnen, sind – die geeignete Wahl des Aufstellungsorts der Erdfunkstelle im ortsfesten Dienst, – Gestaltung der Antenne (im ortsfesten Dienst), speziell bei kleinen Elevationen (Anbringung einer „Lippe“, die das von der Erde reflektierte Signal blockiert) – direktive Antennen im mobilen Dienst, die Mehrwegesignale diskriminieren, – agile Frequenzwahl zurVermeidung der gef¨ahrdeten Frequenzen (siehe DECT2 ), – grossz¨ugig ausgelegte Blockverschachteler (s. Kap. 4). Zusammenfassung der Ausbreitungsverluste PL Die Summe der Ausbreitungsverluste durch Funkfelddispersion, D¨ampfung der trockenen Atmosph¨are, D¨ampfung durch Niederschl¨age und Signalschwund durch Mehrwegeeffekte ist: PL = FD + AD + RD + MD. In dieser Summe macht die Bestimmung der D¨ampfung durch Niederschl¨age RD oft die meiste Arbeit, da sie von der vorherrschenden Klimazone, insbesondere aber von der verlangten Verf u¨ gbarkeit der Strecke abh¨angt.

2

Digital Enhanced Cordless Telecommunications

5.2 Verf¨ugbarkeit der Strecke

147

5.2 Verfugbarkeit der Strecke 5.2.1 Availability und Reliability Die Verf u¨ gbarkeit der Strecke h¨angt davon ab, wie oft beziehungsweise wie lange die Funkverbindung (z.B. durch Niederschl¨age) unterbrochen wird. Man definiert den Prozentteil p w¨ahrend des schlechtesten Monats des Jahres, in den die ¨ Ubertragungsstrecke verf u¨ gbar (nicht unterbrochen) ist. Dieser Begriff ist separat von der Zuverl¨assigkeit des Systems. Die Zuverl¨assigkeit (Reliability) einer Funkstrecke h¨angt z.B. davon ab, wie unterbrechungsfrei der Sendeverst¨arker arbeitet. Sie kann erh¨oht werden, indem Verst¨arker hoher Qualit¨at und langer Lebensdauer eingesetzt, vor dem Start des Satelliten sorgf¨altig gepr¨uft und dann ordnungsgem¨ass betrieben werden. Des Weiteren ordnet man den Verst¨arkern Reserveeinheiten zu, auf die bei Ausfall umgeschaltet werden kann. Um Unterbrechungen bei starkem Niederschlag zu verhindern (die Verf u¨ gbarkeit zu erh¨ohen), muss ausreichend Sendeleistung vorgehalten werden, so dass das durch Schnee oder Hagel geschw¨achte Signal mit hinreichendem Pegel empfangen wird. Um wie viel h¨oher die Leistung (relativ zur Clear Sky-Ausbreitung) angesetzt werden muss (Link Margin = Additional Attenuation AA) geht aus den Abb. 5.13 bis 5.15 hervor. L¨asst man kurzzeitige Unterbrechungen zu („wenn es mal besonders gr¨asslich hagelt und st¨urmt, schaut man zum Fenster hinaus anstatt zu telefonieren oder fernzusehen. . .“), dann ben¨otigt man weniger Link Margin als wenn man 100% Verf u¨ gbarkeit verlangt. Man muss sich hier ein Bild u¨ ber „Prozentteile des schlechtesten Monats des Jahres“ machen.Verlangt man z.B. eine „3 -Verf u¨ gbarkeit“, d.h. 98% der Zeit eines Monats, so w¨urde dies Unterbrechungen von insgesamt 15,2 Stunden erlauben. Erh¨oht man p auf 99%, erh¨alt man noch 7,6 Stunden. Die Forderung p = 99,9% f u¨ hrt zu 0,76 Stunden Ausfallzeit: p = 98,0% ⇒ 14,6 h pro Monat p = 99,0% ⇒ 7,3 h pro Monat p = 99,5% ⇒ 3,7 h pro Monat

p = 99,9% ⇒ 43,8 min pro Monat p = 99,99% ⇒ 4,38 min pro Monat p = 99,999% ⇒ 26,3 s pro Monat.

Die Rundfunkanstalten zielen i.A. auf ca. 99,5% Verf u¨ gbarkeit im schlechtesten Monat des Jahres bzw. 99,9% Verf u¨ gbarkeit auf das Jahr gemittelt. Die meisten Telefonbetreiber fordern jedoch (auch von einem Satellitensystem) mindestens 99,99% (< 5 min Ausfall pro Monat). Die Umrechnung vom Jahresmittel pyear zum schlechtesten Monat pworst month erfolgt nach der Beziehung pworst,month = (2,2 · pyear )0,87[%]

(5.28a)

pyear = (0,3 · pworst,month )1,15[%]

(5.28b)

bzw.

148

5 Das Relais im Orbit und die Streckenbilanz

Damit ergibt sich3 z.B. pyear 99,992% (30 min/Monat) 99,9% 99,5% 99,0%

pworst month 99,93% 99,6% 98,4% 97,1%

Es ist wichtig f u¨ r die Dimensionierung einer Funkstrecke, ausreichend Leistungs¨ reserve f u¨ r Regend¨ampfung vorzusehen. Bei der Ubertragung der Einzelstrecken Up- und Downlink gibt es die vier F¨alle: 1. 2. 3. 4.

Unbehinderte Ausbreitung auf Up- und Downlink Ged¨ampfte Ausbreitung auf dem Uplink Ged¨ampfte Ausbreitung auf dem Downlink Ged¨ampfte Ausbreitung auf dem Uplink und dem Downlink.

Ausser bei lokalen Verbindungen kann man mit der Wahrscheinlichkeit rechnen, dass das Uplink nicht zeitgleich mit dem Downlink extremem Regen ausgesetzt ist. Ein Landregen u¨ berdeckt zwar einen grossen Bereich, f u¨ hrt aber nicht zu Ausf¨allen. Der Hagelsturm hingegen, der die Funkstrecke erheblich st¨ort, ist r¨aumlich beschr¨ankt. Der Unterschied zwischen Clear Sky und Regen auf Uplink und Downlink betr¨agt im Beispiel 7 dB (s. Tabelle 5.5). Tabelle 5.5 Die Streckenbilanz (Link Budget) f¨ur Clear Sky, Uplink Fade, Downlink Fade und Both Fade EIRPup Free Space Lossup Additional Attenuationup Input Backoff C-N up EIRPdown nominal Free Space Lossdown Additional Attenuationdown Output Backoff C-N down Total

3

[dBW] [dB] [dB] [dB] [dB] [dBW] [dB] [dB] [dB] [dB] [dB]

Clear Sky 55 210 0 4 67 6 205 0 2,2 57,4 57

Up-Fade 55 210 4 8 63 6 205 0 3,7 55 55,2

Down-Fade 55 210 0 4 67 6 205 3 2,2 51,4 52,2

Both Fade 55 210 4 8 63 6 205 3 3,7 50 50

siehe hierzu auch die ITU-R Rec. P.837-2 (Characteristics of precipitation for propagation modelling) in Verbindung mit Rec. P.618-6 (Propagation data and prediction methods required for the design of earth-space telecommunication systems) und Rec. P.839-2 (Rain hight model for prediction methods); ITU Genf

5.2 Verf¨ugbarkeit der Strecke

149

5.2.2 Lastanpassung zur Erho hung der Verfu gbarkeit Der Nutzung h¨oherer Frequenzen bei 40 bis 50 GHz und zuk¨unftig bei 70 bis 100 GHz und h¨oher stellen sich h¨ohere Regend¨ampfungen entgegen, die bei den geforderten Verf u¨ gbarkeiten von u¨ ber 99,0% nicht mehr mit Leistungsmargen allein kompensiert werden k¨onnen. Der Vorhalt f u¨ r einen 200 W-Sender f u¨ r eine 30 dB-Linkmarge (ein Faktor 1 000), also 200 kW Sendeleistung) wird fr¨uhestens in der u¨ bern¨achsten Generation von Satelliten realisierbar sein. Wenn die Satellitenleistung nicht ausreicht, die Last zu bef o¨ rdern, muss die Last reduziert werden. Hierzu bieten sich an: 1.a Die schwundabh¨angige,stufenweise Reduktion der Transponder-Belegung um 50%, so dass dem verbleibenden Verkehr 3 dB Leistung zugeteilt werden kann; im Datenverkehr werden nur h¨ochst dringlich eingestufte Verkehre aufrechterhalten; im Telefonverkehr werden keine neuen Gespr¨ache aufgenommen („to busy out new calls“). 1.b Die Nutzung der freigemachten Bandbreite f u¨ r zus¨atzliche (Rate 1/2) Codierung: Die freigemachte Bandbreite liegt nicht brach, sondern wird f u¨ r die ¨ Codierung der Ubertragungssignale genutzt; damit werden bis zu 5 dB gewonnen, zusammen also 8 dB. 2.a Anstatt oder zus¨atzlich zur Reduzierung des Verkehrs kann man die Bitrate reduzieren: Eine Videokonferenz l¨auft z.B. in MPEG mit 8 Mbit/s, kann aber auch mit 8 kbit/s u¨ bertragen werden. Die Videokonferenz wird um der Kontinuit¨at willen in der Qualit¨at graduierlich zur¨uckgestuft, um Leistung einzusparen, ohne dass sie zusammenbricht. Damit kann die Sendeleistung (im Beispiel um 30 dB) reduziert werden (30 dB Schwund k¨onnen aufgefangen werden!). 2.b Die zugeteilte Bandbreite kann bei der reduzierten Bitrate durch zus¨atzliche Codierung genutzt werden und so noch einmal ca. 5 dB, gewonnen werden, also nun 35 dB. 2.c Der verbleibenden Bandbreite wird die gesamte Satellitensendeleistung zugeteilt, also 30 dB zus¨atzlich, d.h. 35 dB. Damit kann 65 dB Schwund u¨ berwunden werden. Wird schliesslich die Gesamtlast auf 1/10 abgebaut, erh¨oht sich die spezifische Leistung in den verbleibenden 10% der Transponder um 10 dB, so dass f u¨ r die Priorit¨ats¨ubertragung – f u¨ r die Dauer des Hagels – entsprechend h¨ohere Leistung verf u¨ gbar wird. Es wird auch an den Einsatz von Leistungskondensatoren gedacht, die kurze Unterbrechungen u¨ berbr¨ucken (siehe auch Interleaver). Die Fa. MCR (USA) spei¨ chert so bis zu 400 W f u¨ r die Ubertragung (im L-Band) von Kurznachrichten zu Kleinstterminals. 5.2.3 Der diversitare Empfang (Diversity Reception) Der Empfang in der H¨ochstfrequenz w¨ahrend heftigen Hagels ist praktisch nicht durchf u¨ hrbar. Es m¨ussen – als ultimo auxilio – dislozierte redundante (Diversity)

150

5 Das Relais im Orbit und die Streckenbilanz

Erdfunkstellen betrieben werden, die – auch nur 10 km separiert – im Regelfall ausserhalb des Hagelbereiches voneinander liegen. Die Diversity-Station muss mit der Prim¨arstation (terrestrisch) verbunden sein; dann k¨onnen die beiden sich gegenseitig aushelfen. Sind zwei diversit¨are Empfangsstationen f u¨ r jeweils 97,75% Zuverl¨assigkeit ausgelegt, dann ist die resultierende Gesamtzuverl¨assigkeit 99,95% (die Forderung z.B. der Bundeswehr an dieser Stelle). Was mit einer Einzelstation mit nur z.B. 30 m Antennendurchmesser erreichbar w¨are (99,95%), wird mit zwei diversit¨aren Stationen mittleren Durchmessers m¨oglich, wenn die Entfernung zwischen ihnen geschickt gew¨ahlt wird und sie terrestrisch vernetzt werden. ¨ Dann k¨onnen sich die beiden Stationen ausserdem w¨ahrend der AquinoktiumAuszeiten gegenseitig unterst¨utzen und auch dort die Dienstverf u¨ gbarkeit erh¨ohen. 5.2.4 Adaptive Nachregelung der Sendeleistung Eine geforderte Verf u¨ gbarkeit von z.B. 99,9% f u¨ hrt zu entsprechend hohen Sendeleistungsanforderungen. Betr¨agt „AA“ f u¨ r das Uplink der Satelliten¨ubertragung z.B. 8 dB, m¨ussen die Sendeleistungen der Erdfunkstellen um 8 dB h¨oher ausgelegt ¨ werden, um die Ubertragungsqualit¨ at auch w¨ahrend starken Regens zu sichern. Auf diese Weise wird sehr viel Uplink-Leistung verschwendet, da im statistischen Mittel nur ein sehr kleiner Teil aller Sendestationen (< 10%) starkem Regen ausgesetzt ist, w¨ahrend auf dem u¨ berwiegenden Teil die Sonne scheint (Clear Sky Propagation). Noch kostspieliger als die verschwendete Uplink-Sendeleistung ist jedoch die vergeudete Satellitenkapazit¨at. Die nicht von den Anomalien beeinflussten Tr¨ager beaufschlagen den Satelliten mit 8 dB st¨arker, sechs mal soviel Satellitensendeleistung, als n¨otig. Gleichzeitig muss der Transponderarbeitspunkt so gelegt werden, dass f u¨ r den ¨ ung¨unstigsten Fall der Intermodulation (Worst Case) die Ubertragungsqualit¨ at gew¨ahrleistet ist. Hierzu muss der Arbeitspunkt weit unter die Satellitens¨attigung gelegt werden. Um die kostbare Satellitenleistung besser einzusetzen und gleichzeitig die Intermodulation zu reduzieren, m¨ussen zwei Dinge getan werden: Es muss der Regen bei der sendenden Erdfunkstelle in Echtzeit erfasst werden, und es muss die Erdfunkstelle in die Lage versetzt werden, ihre Sendeleistung auf u¨ ber Fernwirkung u¨ bermittelte Anweisung hin kurzfristig zu erh¨ohen und hinterher auch wieder abzusenken. Da im Mittel nur ca. 10% der sendenden Erdfunkstellen von Sturm und Hagel betroffen sind,muss nur diesen 10% die Leistungsreserve von 8 dB zugeteilt werden. Die restlichen 90% aller Terminals arbeiten mit nominellen Leistungspegeln (8 dB niedriger). Die erzielte Leistungsersparnis betr¨agt 6 dB. Der Satellitentransponder kann – bei gleicher Kanalqualit¨at – 6 dB mehr (viermal so viele) Tr¨ager u¨ bertragen. F¨ur den (statistisch unwahrscheinlichen) Fall, dass es bei mehr als 10% der Stationen gleichzeitig hagelt, wird man per Network Control Kan¨ale abbauen, indem

5.3 Der G¨utefaktor G-T

151

man keine neuen Sprechkreise aufnimmt, so dass die so reduzierte Kanalzahl im Transponder Leistung frei macht, die den Stationen zugeteilt wird, die sie momentan ben¨otigen.

5.3 Der Gutefaktor G-T  Die Empf¨angerg¨ute ist weder vom Antennengewinn G noch der Systemrauschtemperatur T allein abh¨angig, sondern vom Verh¨altnis G-T, gemessen am Antennenausgang (am Antennenflansch). 5.3.1 Der Empfangsgewinn G Der empfangsseitige Antennengewinn ergibt sich identisch zum sendeseitigen (s. Kap. 5.2.2). Eine Antenne hat im Sende- und Empfangsbetrieb dieselben Eigenschaften. 5.3.2 Die Rauschtemperatur T Zur Bestimmung der G¨ute G-T wird die Gesamtrauschtemperatur des Empfangssystems tSystem (TSystem ist 10 log[tSystem ]) bestimmt: tSystem = tAntenne + tTransponder

(5.29a)

tAntenne = tHimmel + tMaterial

(5.29b)

wobei Das tHimmel ist in Abb. 5.4 gezeigt. Das Antennenrauschen tMaterial ist 10 bis 20 K. Die Rauschtemperatur des Transponders (allgemein: Empf¨anger / Umsetzer / Sender) wird auf den Antennenausgang zur¨uck bezogen. Dazu muss man den Verst¨arker r¨uckw¨arts durchlaufen. So wie ein Signal s von einem Verst¨arker der Gewinnzahl g zu s · g verst¨arkt wird, entspricht dem Verst¨arkerausgang t das Eingangssignal s/t (s. Abb. 5.16). In Abb.5.16 ist tHL die durch die Verluste im Hohlleiter HL oder Koaxkabel zwischen Antenne und dem rauscharmen Vorverst¨arker (Low Noise Amplifier; LNA) erzeugte a¨ quivalente Rauschtemperatur. Der Hohlleiter in dieser Verbindung hat 0,2 bis ≈ 1,0 dB Verlust. F¨ur 0,2 dB entspricht dies dem Verlust GHL = 10 log(gHL ) = 0,2 dB, also gHL = 1.05. F¨ur 0,4 dB ist gHL = 1,1; mit  t = 1− bzw.

1 lHL

 t0

(5.30a)

152

5 Das Relais im Orbit und die Streckenbilanz

Abb. 5.16 Das auf den Antennenausgang bezogene Transponderrauschen

  1 )tHimmel tHL = 1 − lHL

(5.30b)

erh¨alt man f u¨ r die Repeaterumgebungstemperatur tHimmel = 290 K und lHL = 1,05; dann ist tHL = 290 K∗ 0,05 = 14,5 K. gHL = 10 log(1/1,05) = 10 log(0,955) = −0,2 dB. Es ist gHL der Gewinn des Hohlleiters (im Beispiel −0,2 dB weil 0,2 dB Verlust). Die Gewinnzahl des Hohlleiters ist damit 0,955; Hohlleiterverluste sind typischerweise 0,4 dB pro laufender Meter Hohlleiter. tLNA ist die Rauschtemperatur des LNA, abh¨angig vom Typ und Frequenzbereich, gLNA die Verst¨arkung des LNA, typisch 50. . . 60 dB f u¨ r mehrstufige Verst¨arker. Rauschtemperaturen der Einzelstufen sind unterschiedlich und vom LNA-Ausgang auf den Eingang zur¨uckgerechnet: Sie enthalten die Rauschbeitr¨age und Verst¨arkungen aller Stufen. In der Regel muss nur die Rauschtemperatur des LNA bei der Bestimmung der Systemrauschtemperaturen f u¨ r das G-T ber¨ucksichtigt werden. Die Beitr¨age der nachfolgenden Ger¨ate sind vernachl¨assigbar. Einen erheblichen Beitrag zur Systemrauschtemperatur kann das vom Leistungsverst¨arker (HPA) verst¨arkte Rauschen liefern, das u¨ ber den Diplexer in den Empfangszweig gelangt und auch durch entsprechende Filter vor dem LNA nicht mit vertretbarem Aufwand zu unterdr¨ucken ist. Die Rauschtemperatur tamp mit einer Rauschzahl (Noise Figure) von 3 dB ist ca. 600 K und z.B. gamp ≈ 35 dB. Der Wert tkonv beinhaltet die effektive Rauschtemperatur aller folgenden Glieder wie Frequenzumsetzer, Zwischenfrequenzverst¨arker etc., bis incl. der Sendeseite des Repeaters. Die letzten Glieder sind dabei vernachl¨assigbar, da sie durch das Produkt der einzelnen Verst¨arkungen dividiert werden: In der Weise wie Verst¨arker in Vorw¨artsrichtung verst¨arken, d¨ampfen sie in der umgekehrten Richtung.

5.3 Der G¨utefaktor G-T

153

5.3.3 Die Empfangergute G-T von Satelliten Direkteingespeiste Antennen im Vergleich zu Cassegrain-Antennen Der Wert von 0,2 dB f u¨ r den Hohlleiterverlust zwischen LNA und Antennenflansch in der Bestimmung der Empfangsg¨ute G-T gilt so nur f u¨ r Antennen, bei denen der Antennenstrahl u¨ ber einen im Focus angebrachten Subreflektorumgelenkt wird,so dass der LNA (¨uber einen sehr kurzen Hohlleiter) direkt hinter dem Hauptreflektor angebracht ist. Verlustreicher sind direkteingespeiste Antennen, in denen der LNA hinter dem Hauptreflektor u¨ ber Hohlleiter aus dem Focus angebracht sind. Dieser l¨angere Hohlleiter hat einen Verlust von z.B. 1,2 dB (statt 0,2 dB) zwischen Focus und LNA, entsprechend einem Verlustfaktor (mit −1,2 dB oder 1/1,32 = 0,76 = gHL , als „Gewinnfaktor“ des Hohlleiterglieds); der Wert la in dem Ausdruck 10 log(la ) = 1,2 dB wird zu la = 1,3 (anstatt 1,05). Mit t = (1 − 1/la)to bzw. hier tHL = (1 − 1/la )tHimmel erh¨alt man f u¨ r die Repeaterumgebungstemperatur tHimmel = 290 K (Worst Case) das tHL = 290 K∗ · 1,3 = 382 K (statt 14,5 K). Das n¨achste Glied wird 120K/0,76 = 158 K (statt 125,7 K), und ttransp = 555 K (statt 156 K). Bei gleichem Gewinn G ergibt sich die G¨ute G-T zu −13.5 dBi/K (statt −8,5 dBi/K). Das Beispiel (0,2 dB im Vergleich zu 1,2 dB Hohlleiterverlust) zeigt, wie wichtig die Minimierung des Hohlleiterverlustes zwischen dem rauscharmen Vorverst¨arker und der Antenne f u¨ r die G¨ute der Empfangsanlage ist. Gangige Werte fu r die Satelliten-Gute Die Rauschtemperatur eines Fernmeldesatellitenrepeater mit g¨angigen Parametern (0,2 dB Hohlleiterverlust zwischen Antenne und LNA), 18,5 dBi Antennengewinn im Global Beam und einer dazu angemessenen System-Rauschtemperatur von ca. 800 K ist G-T = 18,5 − 29,0 dBK = −10,5 dBi/K. Transponder in Hemi Beams haben etwa 4 dB mehr Gewinn (G ca. 22,5 dBi), so dass sich die Verbesserung der System-Rauschtemperatur auf ca. 500 K lohnt und die G-T = 22,5 − 27,0 dBK = −4,5 dBi/K erreicht. Transponder in Spot Beams (G bei 30 dBi) haben T-Werte von < 200 K und damit G-T bis zu +7 dBi/K. Transponder in sog. Pencil Beams (G bis zu 60 dBi) haben T-Werte von < 100 K und damit G-T bis zu +40 dBi/K. 5.3.4 Typische Empfanger-Guten von Erdfunkstellen und Terminals Homodyn- im Vergleich zu Heterodyn-Empfanger Die Empf¨angerarchitektur hat zwei Konzepte: Einen ersten, rauscharmen Hochfrequenzvorverst¨arker unmittelbar nach der Antenne (der sog.homodyne Empf¨anger) und den heterodynen Empf¨anger, bei dem der erste Verst¨arker nach der Frequenzumsetzung in die Zwischenfrequenz angeordnet ist.Der Unterschied sei am Beispiel gezeigt:

154

5 Das Relais im Orbit und die Streckenbilanz

Beispiel: Die Empfangs-Rauschtemperatur eines Handys (mit z.B. 0,2 dB Verlust zwischen Antenne und LNA) ist trepeater = 156,0 K oder 21,9 dBK. Mit tSystem = tAntenne + tTransponder = 290 + 10 + 156 = 456 K

oder

26,6 dBK.

G ist typischerweise 0 dBi f u¨ r isotrope (Handy) Empfangsantennen. Damit wird die G¨ute G-T = 0 − 10 log 456,0 = −26,6 dBi/K, ein g¨angiger Wert f u¨ r Homodynempfang. Im Gegensatz dazu kommt beim Heterodynempf¨anger statt des rauscharmen Vorverst¨arkers zuerst der Mischer: Statt 120 K hat dieser 1200 K und statt 16 dB Verst¨arkergewinn 10 dB Durchgangsverlust: tTransponder = 14,5K +

120K 3000K 1200K + + = 0,955 0,955 · 0,1 0,955 · 0,1 · 3 162

= 14,5K + 1257K + 1257K + 10K = 2539K oder 34 dBK und tSystem = tAntenne + tTransponder = 290 + 10 + 3539 = 3839 K oder 35,8 dBK. Mit G = 0 dBi f u¨ r den Antennengewinn ergibt sich die G¨ute G-T = 0 − 10 log 3839 = −35,8 dBi/K, rund 10 dB schlechter als der Homodynempfang. G-T von Handys Satellitenhandys haben von 0 bis −3 dBi Antennengewinn (L-Band) und 200 bis 300 K Systemrauschtemperatur. Die Handy-Antenne empf¨angt ca. 300 K Erdrauschen, so dass die G¨ute zwischen −27 und −31 dBi/K liegt. Dieser Wert gilt auch f u¨ r Kofferund Taschen-Radios. Mit einer ausklappbaren Planarantenne der Fl¨ache des Handys, z.B. 8 × 8 cm, wird die Wirkfl¨ache A = 64 cm2 und der Gewinn G = 4Af 2 /c 2 = 2 oder 3 dBi (abz¨uglich Implementation Margin). Damit wird die Verwirklichung einer Systemrauschtemperatur von z.B. 150 K sinnvoll und so die G¨ute −21 dBi/K (statt −31 dBi/K). GPS-„Handys“ haben bis zu +7 dBi-Antennengewinn und ca. 500 K, also die G¨ute G-T = −20 dBi/K. Mit t = 200 K w¨are G-T = −16 dBi/K m¨oglich. G-T von Laptops Bei einem portablen Mobiltelephon der Laptop-Gr¨osse (20 × 30 cm) kann (im L-Band) eine Antenne mit 12. . . 13 dBi Gewinn (und einer gewissen Ausblendung des Erdrauschens) im Deckel eingebaut werden. Mit dem Erdrauschen von z.B. 100 K erreicht man eine Systemrauschzahl von ca. 100 K, so dass die G¨ute G-T = 13dBi − 23 dBK = −10 dBi/K ist.

5.3 Der G¨utefaktor G-T

155

G-T von Aktenkoffern Eine Antenne der Aktenkoffer-Gr¨osse (0,30 × 0,45 m) produziert bis zu 16. . . 17 dBi und entsprechend bessere Erdrauschunterdr¨uckung.Damit erh¨alt man (im L-Band) G-T = 17 dBi − 22 dBK = −5 dBi/K. G-T von Schiffsterminals Das INMARSAT-B Terminal (s. INMARSAT) hat 1. . . 1,2 m Durchmesser, also (bei 1,5 GHz) ≈ 23 dBi. Mit entsprechenden Massnahmen (Absorptionslippe an der Antenne zur Nebenzipfelunterdr¨uckung gegen Erdrauschen und Mehrwegeeffekte) k¨onnen Rauschtemperaturen unter 200 K (23 dBK) erreicht werden,so dass die G¨ute G-T ≈ 0 dBi/K wird. G-T von Heimempfangsanlagen Heimempfangsanlagen (60 cm bis 90 cm) haben (bei 11 GHz) ca. 35 bis 39 dBi; rauscharme Vorverst¨arker haben Rauschzahlen im Bereich von 120 bis 80 K, so dass G¨uteziffern G-T = 14 dBi/K bis 20 dBi/K erreicht werden – solange es nicht regnet. G-T von Andover Der erste kommerzielle geostation¨are Fernmeldesatellit, Telstar-1, wurde 1963 von der Fa. AT&T in Andover (Maine, USA) betrieben. Die Antenne hat 21 m Durchmesser und 56,6 dBi Gewinn bei 4 GHz. Der Hohlleiterverlust zwischen Antenne und Vorverst¨arker ist 0,2 dB, das Vorverst¨arkerrauschen tLNA = 4 K (!), der Gewinn gLNA des rauscharmen Vorverst¨arkers 25 dB. Das Himmelsrauschen tsky liegt bei 14 K. Der Gewinn des n¨achsten Empfangsverst¨arkers ist gnext = 17 dB bei tnext = 870 K Rauschtemperatur. Der Frequenzumsetzer hat G = 0 dB und t = 3190 K. Damit ergibt sich tSystem = 14 + 21 K = 35 K und G-T = 56,6 dBi − 15,44 dBK = 41,2 dBi/K. Dies ist noch heute die Standardg¨ute von 4 GHz Intelsat-Erdfunkstellen. Sie wird jedoch meist mit 30 . . . 32 m Antennen erzeugt, so dass das tLNA auf u¨ ber 4 K angehoben werden konnte. G-T von Effelsberg Die gr¨osste, voll schwenkbare Parabolantenne der Erde mit 100 m Durchmesser wird vom Max Planck Institut f u¨ r Radioastronomie in Effelsberg in der Eifel betrieben. Sie ist f u¨ r den Frequenzbereich von 408 MHz bis 86 GHz ausger¨ustet und mit extrem rauscharmen Vorverst¨arkern ausger¨ustet,so dass tSystem ≈ 20 K+15 K = 35 K und G (bei z.B.5 GHz) ca.71 dBi.Die G¨ute ist G-T = 71 dBi−15 dBK = 56 dBi/K.

156

5 Das Relais im Orbit und die Streckenbilanz

G-T von Arecibo Wie die Effelsberg-Antenne f u¨ r Forschungsarbeiten ausgelegt, hat die eingeschr¨ankt schwenkbare Parabolantenne der NASA in Arecibo (Puerto Rico) jedoch 300 m Durchmesser; sie ist bis ca.10 GHz ausger¨ustet.Der Antennengewinn erreicht 88 dBi; G-T = 72 dBi/K.  Die G¨ute G-T liegt im Bereich von −31 dBi/K (Handy) bis +72 dBi/K (Arecibo). 5.3.5 Die Guteminderung durch Regen Die G¨ute G-T der Empfangsstation ist f u¨ r den nominellen Empfang ohne Regen ausgelegt. Die in den Himmel schauende Antenne sieht z.B. 20 K Himmelsrauschen (bei einer Repeaterrauschtemperatur von z.B. 80 K).Wenn es regnet erh¨oht sich das Himmelsrauschen auf die Temperatur des Regens, d.h. 290 K in Klimazone „K“. Die resultierende Verschlechterung der G¨ute wird bestimmt durch    tm −AA   10 G-T = 10 log 1 + (1 − 10 ) [dB] (5.31) ts wobei tm = die Rauschtemperatur der Regenwolke ts = die Systemrauschtemperatur des Empf¨angers AA = die zus¨atzliche D¨ampfung (Additional Attenuation) des Regens, in dB. Die G¨uteminderung h¨angt wesentlich von der zus¨atzlichen D¨ampfung AA, aber auch von der Systemrauschtemperatur Ts des Empf¨angers ab (Abb. 5.17).

2,5

ts = 50 K

ts

2,0

ΔG-T in dB

1,5

ts = 100 K

1,0

ts = 150 K ts = 200 K ts = 300 K

0,5

0,0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

AA in dB

Abb. 5.17 Die G¨uteminderung G-T gegen die Systemrauschtemperatur Ts

Je niedriger ts (je qualitativer der Empf¨anger), desto st¨arker die Minderung, und je schlechter der Empf¨anger, desto kleiner die Verschlechterung bei Regen. F¨ur ts = 250 K verursacht AA = 3 dB ein G-T = 0,3 dB und f u¨ r ts = 50 K, und ein AA = 3 dB wird G-T = 1,5 dB.

5.3 Der G¨utefaktor G-T

157

 Die Verschlechterung des G-T kann so schlimm sein, wie die Regenda¨ mpfung. Die G¨ute einer Station mit 50 K Rauschtemperatur wird bei 3 dB Regend¨ampfung um 1,5 dB verschlechtert. In der Streckenbilanz muss dieses durch Regen verschlechterte G-T benutzt werden, da man die Verbindung auch bei Regen aufrechterhalten will. Aber auch bei trockener Ausbreitung muss dann die G¨uteminderung bedacht werden, wenn z.B. ein Baum im Gesichtsfeld der Antenne steht. Das Laub verursacht nicht nur zus¨atzliche D¨ampfung, sondern erh¨oht auch die Rauschtemperatur (insb. bei Regen). Beispiel: Die Additional Attenuation eines trockenen Baumes sei 2 dB, tm = 290 K, ts = tAntenne +tTransponder = 20 K+80 K = 100 K,dann ist G-T = 3 dB.Die Minderung des Downlink bei 2 dB zus¨atzlicher D¨ampfung eines trockenen Baumes im Blickfeld ist 5 dB. Beispiel: Die Additional Attenuation bei heftigem Regen sei 5 dB, tm = 290 K, ts = tAntenne + tTransponder = 20 + 80 = 100 K, dann ist G-T = 5 dB. Die Verschlechterung des Downlink bei 5 dB zus¨atzlicher D¨ampfung ist 10 dB. 5.3.6 Die Guteminderung durch Vegetationsdurchdringung Die elektromagnetische Ausbreitung wird durch Vegetation (Jungle Propagation) ¨ ged¨ampft (s. Abb. 5.17), umso mehr, je l¨anger der Weg durch Laub und Aste, umso h¨oher die Frequenz und umso feuchter das Gew¨achs. Der D¨ampfungswert (nach ITU/CCIR-Report 236) ist in Gleichung 5.32 gezeigt.

¨ Abb. 5.18 Die Durchdringung von Laub und Asten

A = 0,187 ·

f 0,284 a0,588 · [dB] [MHz] [m]

(5.32)

Die D¨ampfungswerte f u¨ r UHF, L-, S-, C- und Ku-Band als Funktion der Wegl¨ange durch die Vegetation sind in Abb. 5.19 gezeigt.

158

5 Das Relais im Orbit und die Streckenbilanz 16

f = 11 GHz

Dämpfung 14 [dB] 12

f = 4 GHz

10

f = 2.3 GHz f = 1.5 GHz

8 6

f = 230 MHz

4 2 0 0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

Wegstrecke d durch das Laub [m]

A = 0187 . ⋅

f 0.284 [MHz]

⋅

0.588 a [ m]

[dB]

Abb. 5.19 Die D¨ampfungswerte als Funktion der Wegl¨ange durch die Vegetation

5.3.7 G-T -Degradation durch Fehlweisung der Empfangsantenne Eine nicht exakt auf den Satelliten gerichtete Antenne hat einen kleineren Gewinnfaktor als ihrem Nominalwert entspricht. F¨ur diesen sind eine Prinzipskizze und Kennwerte eines Antennendiagramms in Abb. 5.20 gegeben. Die Hauptkeule ist durch ihre Halbwertsbreite Ÿo gekennzeichnet, an der der Gewinn auf den halben Wert (−3 dB) abgefallen ist, und weiterhin durch ihre −10 dB Nullbreite. Gewinn 3 dB 10 dB

θo Nullbreite

17 dB 4 dB

θ Abb. 5.20 Prinzipskizze und Kennwerte des Antennendiagramms

Die Halbwertsbreite ist n¨aherungsweise gegeben durch  207◦  = 69 Ÿ0 = Ÿ−3dB =  d d·f

(5.33a)

wobei Antennendurchmesser d und Wellenl¨ange  in m, und die Frequenz f in GHz ist. Die „−10 dB-Breite“ ist 36,0◦   = 120◦ Ÿ1 = Ÿ−10dB =  d d·f

(5.33b)

5.3 Der G¨utefaktor G-T

Die Nullbreite zwischen 1. und 2. Keule ist 54,0◦   = 180◦ Ÿ2 = Ÿnull =  d d·f

159

(5.33c)

Die Nullbreite zwischen 2. und 3. Keule ist Ÿ3 = 1,625 · Ÿ2 = 292◦

 d

(5.33d)

¨ Ahnlich ist Ÿ4 = 1,9Ÿ2 = 342◦ /d und Ÿ5 = 2,2Ÿ2 = 396◦ /d. Der Gewinn G der Antenne ist G = 20 log[d/] − V in dBi, wobei der Verlust V = 3 dB ist, wenn der Wirkungsgrad der Antenne 50% betr¨agt. Antennenwirkungsgrade bis 80% k¨onnen in praxi erreicht werden; f u¨ r die Verlustbeitr¨age einer typischen Parabolantenne s. Tabelle 5.2. Relativ einfach l¨asst sich die Abschattung durch Subreflektor und St¨utzen durch den Versatz des Focus ausserhalb der Apertur („Offset Antenna“) vermeiden; dies verbessert den Antennenwirkungsgrad auf 0,70 oder 70%. Die erste Nebenkeule der Antenne hat typischerweise −25 dB Gewinn,die zweite −29 dB, die dritte −31,5 dB etc. Beispiel: Ein geostation¨arer Ku-Band Satellit hat am Ende seiner Mission keinen Treibstoff mehr, um Nord/S¨ud-Korrekturen durchzuf u¨ hren. Er baut 0,8◦ /a Inklination auf. Was ist der Gewinnabfall f u¨ r eine nicht nachgef u¨ hrte 3,5 m Antenne nach einem Jahr? Der Halbwertswinkel der empfangenden Bodenantenne ist Ÿo = 20,7◦ /[d∗f ] = 0,5◦ . Die Fehlweisung Ÿf (miss pointing) der Bodenstationsantenne ist in erster N¨aherung gleich der Inklination des Satelliten, also nach einem Jahr Ÿf = 0,8◦ . Der Gewinn G einer Antenne mit dem Halbwertswinkel Ÿo,h = Ÿo /2 als Funktion des Ablenkwinkels Ÿ kann in der Umgebung der Hauptstrahlachse durch die Parabel approximiert werden:   Ÿ 2 G(Ÿ) = G0 − 3 [dBi] (5.34) Ÿo,h Der Gewinnunterschied f u¨ r zwei Ablenkungswerte Ÿ1 = 0◦ und Ÿ2 = Ÿf ist dann (in dBi) !  ◦ 2 !  Ÿf 2 0 G = G0 − 3 − G0 − 3 = Ÿo,h Ÿo,h  ◦ 2     Ÿf 2 Ÿf 2 0 = −3 +3 =2 Ÿo,h Ÿo,h Ÿo,h F¨ur Ÿf = 0,8◦ und Ÿo,h = 0,25◦ wird der resultierende Gewinnabfall G = 3(Ÿf /Ÿo )2 = +3(0,8◦ /0,25◦)2 = +3 · 3,22 = 30 dB.

160

5 Das Relais im Orbit und die Streckenbilanz

 Die nat¨urliche Inklination eines GEO (wenn nicht korrigiert) f¨uhrt f¨ur eine Kabelkopfstationsantenne bereits nach 1 Jahr zu einem Empfangsverlust von 30 dB.  Bei der Beschaffung einer 3,5 m Antenne sollte man die zus¨atzlichen Kosten f¨ur eine automatische Nachf¨uhrung (< 1000 €) vorsehen. 5.3.8 Empfangsdegradation durch Fehlweisung der Satellitenantenne Nachrichtensatelliten werden mit 0,1◦ bis 0,01◦ genau auf die Erde ausgerichtet. F¨ur eine Ausrichtungsgenauigkeit von ±0,05◦ dreht der Satellit – und damit die Antenne – um ±0,05◦ der Sollausrichtung ab und der Strahl (s. Abb. 5.21) wandert um 0,05◦ (im Bild in Richtung S¨uden) ab.Der Nutzer N bekommt nominell Po −3 dB, wobei Po die Leistung in Hauptstrahlachse ist.Das zu ihm gerichtete Satellitensignal wird nur mit „Go − 3 dB“ verst¨arkt.

Abb. 5.21 Nominelle (solide) und abgelenkte (gestrichelte) Satellitenausrichtung auf einen Nutzer N

Beispiel: Die 20 GHz Satellitenantenne hat 1 m Durchmesser. Die Ausleuchtzone am Boden hat ca.600 km Durchmesser.Wie viel weniger Leistung erh¨alt der Nutzer? Der Halbwertswinkel der Satellitenantenne ist Ÿo = 1,2◦ ; der Gewinn f u¨ r den Ablenkwinkel Ÿo /2 + 0,05◦ (von der Hauptstrahlrichtung) f u¨ r den Nutzer N am Rande der Service Region ist nach der N¨aherungsformel  G

Ÿ 2 + 0,05◦



⎡

 ⎤2 1,2◦ + 0,05◦ ⎢ ⎥ 2 ⎥ = G0 − 3,5 dB. = G0 − 3 dB ⎢ ⎣ ⎦ 1,2◦

(5.35)

Der Nominalwert ist Go − 3 dB. Die Satellitenfehlweisung von 0,05◦ verursacht im schlimmsten Fall – am Rande der Service Region – einen Gewinnabfall von 0,5 dB.  Eine Ausrichtungsungenauigkeit (Ablenkung) von 0,5◦ verursacht einen Gewinnabfall von 0,5 dB – das Limit, das i.A. toleriert wird. Der Gewinnabfall von 0,5 dB muss vom nominellen EIRP eines Satelliten abgezogen werden, um den Wirk-EIRP zu erhalten.

5.4 Der Arbeitspunkt des Transponders

161

5.3.9 Empfang zweier Satelliten mit einer schielenden Bodenantenne F¨ur Receive Only-Terminals (Satellitenempfangsanlagen) ist es attraktiv, zwei Satelliten gleichzeitig zu empfangen.Wenn die Satelliten benachbart sind (z.B. 13◦ O und 19◦ O), kann man mit zwei Speisesystemen, rechts und links vom Fokus der einen Antenne angebracht, auf beide Satelliten „schielen“. Nun sollte die Antenne f u¨ r gute Empfangsqualit¨at bei jeder Witterung so gross wie m¨oglich sein. Die Fehlweisung ist aber umso gr¨osser, je gr¨osser die Antenne ist. Wo liegt das Optimum? Der Antennengewinn Go als Funktion des Durchmessers d, der Satellitenseparierung (z.B. 19◦ − 13◦ = 6◦ ), der Frequenz f und dem Antennenwirkungsgrad ist G = 20 log[d /] − 12[(d )/(69)]2; mit dG/dd = 0 erh¨alt man d = 41,5/ = 0,35 m bei 12 GHz und beliebigem Wirkungsgrad . Man muss also w¨ahlen zwischen „regenresistenten“ Durchmessern von ≈ 1 m f u¨ r Einsatellitenempfang oder dem„Doppelschieler“ mit d < 1 m f u¨ r zwei Satelliten mit ca. 6 dB weniger Signalqualit¨at.

5.4 Der Arbeitspunkt des Transponders Die Ansteuerung des Transponders mit einem oder mehreren Hochfrequenztr¨agern f u¨ hrt zu einer Summeneingangsleistung am Transponder. Die Summenausgangsleistung des Transponders ist, wie bei allen Verst¨arkern, begrenzt durch die so genannte S¨attigungsleistung (s. Abb. 5.22).

Output

Input Backoff Output Backoff ArbeitsPunkt

Maximum

Operating Point

Input

Abb. 5.22 Die Ausgangsleistung gegen Eingangsleistung eines Transponders

162

5 Das Relais im Orbit und die Streckenbilanz

Die Erh¨ohung der Eingangsleistung f u¨ hrt nicht zu h¨oherer Ausgangsleistung ¨ sondern zu Ubersteuerung und r¨uckl¨aufiger Leistung und zudem zu Negativ- und St¨orungseffekten wie der Intermodulation (siehe n¨achstes Kapitel) und anderen Signalverzerrungen (unter anderem mit dem Klirrfaktor beschrieben). Der Leistungspegel auf der in Abb.5.22 gezeigten Ausgangs- gegen Eingangsleistungs-Kurve, mit dem der Transponder aktuell betrieben wird, heisst Arbeitspunkt (Operating Point). Der Vorhalt des Arbeitspunktes unter der S¨attigungsleistung eingangsseitig heisst Input Back-Off (BOin ), ausgangsseitig heisst er Output Back-Off (BOout ). Es gibt verschiedene Beziehungen zwischen BOin und BOout , wie zum Beispiel die ITU-Empfehlung f u¨ r BOin > 6 dB: BOout = 0,82 · (BOin − 4,5) dB

(5.36)

Eine andere g¨angige Beziehung ist BOout = bzw.

2 BOin 16 dB

BOin = 4 BOout dB

(5.37)

(5.38)

Beide Beziehungen gelten f u¨ r Einzeltr¨agerbetrieb. F¨ur Mehrtr¨agerbetrieb sind 1,5 bis 2,0 dB zum Ausgangs-Backoff des Einzeltr¨agerbetriebs zu addieren.

5.5 Intermodulation, Kleintragerunterdruckung, Storungen 5.5.1 Die aktive Intermodulation Neben dem thermischen Rauschen (das Empfangsrauschen im Satelliten wie in Ger¨aten am Boden) ist die Intermodulation der Hochfrequenztr¨ager im Satellitentransponder zu ber¨ucksichtigen. Sie wird von dem HPA Verst¨arker und von nichtlinearen Bauteilen, bis zu Steckverbindungen, bei denen ungleiche Metalle aufeinander treffen etc., verursacht. Das Intermodulationsrauschen im Transponder mit mehreren Tr¨agern ist in Abb. 5.23 exemplarisch gezeigt. Die Bestimmung der Leistungen dieser Mischprodukte als Funktion der Anzahl der Tr¨ager, ihrer Konstellation, der Leistungsverteilung und der Bandbreiten der Einzeltr¨ager, als auch der Amplituden- und Phasencharakteristik und des Arbeitspunktes des Hochleistungsverst¨arkers sind unabdingbar. Dabei unterscheidet man wie folgt: Produkte 1. Ordnung, First Order Beats Dies sind, der Vollst¨andigkeit halber genannt, die Tr¨agersignale selbst.

5.5 Intermodulation, Kleintr¨agerunterdr¨uckung, St¨orungen

163

Abb. 5.23 Intermodulationsrauschen gegen Frequenz

Produkte 2. Ordnung, Second Order Beats Mischprodukte zweiter Ordnung werden erzeugt bei den Frequenzen f = f1 + f2

und

f = f1 − f2 ,

wobei die Indices 1 und 2 die Tr¨ager denotieren. Diese Produkte fallen nicht in den Bereich von f1 , f2 , sondern nach 2f (auf die doppelte Frequenz) und nach 0 (in den Gleichstrombereich). In beiden F¨allen werden sie von den Bandpassfiltern gestoppt. Produkte 3. Ordnung, Third Order Beats Intermodulationsprodukte dritter Ordnung werden erzeugt bei den Frequenzen f = +f1 + f2 − f3 f = 2f1 − f2 f = 2f2 − f1

f = +f1 − f2 + f3 f = 2f1 − f3 f = 2f3 − f1 und

f = −f1 + f2 + f3 f = 2f2 − f3 f = 2f3 − f2

bzw.

Von diesen Produkten fallen drei in den Arbeitsbereich von f1 , f2 und f3 , n¨amlich +f1 − f2 + f3 = f2;

2f2 − f3 = f1;

2f2 − f1 = f3 .

F¨ur n T¨ager gibt es n(n − 1)(n − 2)/2 Produkte der Art ±fi ± fj ± fk und n(n − 1) Produkte der Art 2fi − fj . Produkte 4. Ordnung, Fourth Order Beats F¨ur Produkte vierter und jeder weiteren geradzahligen Ordnung gilt das f u¨ r die 2. Ordnung gesagte: sie fallen weit ausserhalb des Bandes. Produkte 5. Ordnung, Fifth Order Beats F¨ur Produkte 5. und jeder weiteren ungeradzahligen Ordnung gilt das unter Produkte 3. Ordnung genannte.

164

5 Das Relais im Orbit und die Streckenbilanz

Der Frequenzhub der Produkte Der Frequenzhub der Produkte z.B. dritter Ordnung ist  ¥ = ¥12 + ¥22 + ¥32

(5.39)

wobei ¥i die Frequenzh¨ube der das Mischprodukt verursachenden Hochfrequenztr¨ager sind. Zur rigorosen Bestimmung der Leistung P des Intermodulationsproduktes und des ¥ wird geeignete Software eingesetzt. Vor aufwendigen Rechnerl¨aufen k¨onnen (im linearen Bereich des C-N intermod ) Faustformeln verwendet werden: Die Leistung P ist n¨aherungsweise P12 + P22 + P32 P= (5.40) const wobei die Konstante „const“ vom verwendeten Verst¨arker und insbesondere vom Arbeitspunkt abh¨angt (i.A. ist const > 10∗ Backoff). Die Quadrierung der Einzelleistungen f u¨ hrt dazu, dass die Leistungen kleiner Tr¨ager weniger ins Gewicht fallen, die Grossen diminieren. Backoffout ist der Vorhalt, um den die Transponderausgangsleistung unter der S¨attigung liegt. Koharente Produkte Wenn Intermodulationsprodukte auf einen Tr¨ager fallen, der selbst im Produkt beteiligt ist, spricht man von koh¨arenten Produkten. Sie degradieren die Qualit¨at des Tr¨agers, auf den sie fallen, um bis zu 4 dB mehr als inkoh¨arente Produkte. Die Frequenzkonstellation, die zu solchen Produkten f u¨ hrt, ist zum Beispiel: f u¨ r f1 + f2 = 2f3 f¨allt f1 + f2 − f3 auf f3. Im Zahlenbeispiel: F¨ur f1 = 2, f2 = 4, f3 = 3, wird f1 + f2 − f3 = 3 = f3, das Intermodulationsprodukt f¨allt auf den Tr¨ager f3 , ist koh¨arent mit dem Tr¨ager f3. Koh¨arente Intermodulationsprodukte sind 6 dB st¨orender als statistisch unabh¨angige, inkoh¨arente Intermodulationsprodukte. Mindestens diese Konstellation kann man mit einfachen Mitteln bei der Frequenzplanung eines Transponders vermeiden. Gangige Termini Die folgenden Fachausdr¨ucke und Abk¨urzungen finden sich in der Literatur zur Intermodulation wieder: TOI IP3 Beat

Third Order Interception, der Schnitt dritter Ordnung, siehe unten Intercept Point 3rd order, ist identisch mit TOI das H¨ammern, Hauen, Schlagen, Intermodulieren von zwei oder mehreren Tr¨agern untereinander

5.5 Intermodulation, Kleintr¨agerunterdr¨uckung, St¨orungen

165

Carrier Tripple Beats, die St¨ortr¨ager dritter Ordnung, 6 dB h¨oher als die St¨ortr¨ager zweiter Ordnung Even Beats St¨ortr¨ager, die ausserhalb des Bandes fallen (Out of Band) Odd Beats St¨ortr¨ager,die sowohl Out of Band als auch In Band fallen; n2 /2 der von n Tr¨agern generierten St¨ortr¨ager fallen In Band, n2/4 fallen am Rande des Bandes an Coherent Beats St¨ortr¨ager ≥ 3. Ordnung, an denen ein Nutztr¨ager beteiligt ist (siehe oben). CTB

Das Trager/Intermodulations-Leistungsverhaltnis Das Tr¨ager/Intermodulations-Leistungsverh¨altnis kann n¨aherungsweise wiedergegeben werden als C-N im → ∞ C-N im = 12 + 2 · BOout C-N im = 10 + 2BOout C-N im = 78,6 − 10 log[n] + 2BOout C-N im = 78,6 + 3BOout [dBHz]

f u¨ r < 3 Tr¨ager

(5.41a)

f u¨ r 3 Tr¨ager f u¨ r > 3 Tr¨ager mit n der Zahl der Tr¨ager

(5.41b) (5.41c) (5.41d) (5.41e)

Der mit zwei Tr¨agern gemessenen Intermodulation C/IM2 entspricht die Mehrtr¨agerintermodulation 

C IM

 Mehrtr¨ager

1 = 6



!2 C +1 IM2

(5.42)

Typische Ausgangsvorhalte BOout liegen im Bereich um 3 dB. Kleinere Werte erh¨ohen die Intermodulation unzul¨assig, und gr¨ossere Werte f u¨ hren zu schlechter Ausn¨utzung der im Satelliten installierten Sendeleistung. Man verwendet zunehmend Linearisierer, die das Verhalten des Hochleistungsverst¨arkers bis nahe der S¨attigung linearisieren, so dass man zu noch kleineren Ausgangsverhalten BOout im Betrieb des Hochleistungsverst¨arkers gehen kann. Das Ergebnis der Intermodulationsberechnung ist eine der Systemgr¨ossen, die dann optimiert wird (s. Abb. 5.23): – das lineare C-N up des Uplinks, – das quadratische, > 2 dB pro dB verschlechternde C-N intermod (Intermodulation), – das C-N down des s¨attigungsbegrenzten Satellitenverst¨arkers auf dem Downlink – das ebenfalls lineare C-N Interferenz der Interferenz (Funkst¨orung). Das Verh¨altnis C-N uplink wird mit zunehmender Leistung dB f u¨ r dB besser, ohne unmittelbare Begrenzung. Die gilt zun¨achst auch f u¨ r C-N down . Hier begrenzt aber der Satellitensendeverst¨arker. In der S¨attigung (0 dB-Punkt auf der Abszisse) ist der maximale Output erreicht.Erh¨oht man weiter,sinkt die Ausgangsleistung wieder ab.

166

5 Das Relais im Orbit und die Streckenbilanz

C-No,aufwärts

Leistung der Abwärtsstrecke

Output Backoff

Input Backoff

C-No,abwärts

Maximum

C-No,intermod C-No,gesamt

Optimum Arbeitspunkt im Vielträgerbetrieb Leistung der Aufwärtsstrecke Abb. 5.24 Einzel- und Gesamt-Tr¨ager/Rauschleistungsverh¨altnisse als Funktion des InputBackoffs

Das Verh¨altnis von Tr¨ager- zu Intermodulationsrauschen C-N intermod ist im linken Bereich gegenl¨aufig: F¨ur sehr kleine Leistungen ist es sehr hoch, f¨allt dann aber um > 2 dB f u¨ r jedes dB Leistungssteigerung. Im S¨attigungsbereich mindert sich dieser rapide Verfall, f¨allt aber wieder ab. Die Rauschleistung NInterferenz beinhaltet die gesamte nicht-thermische Fremdst¨orung durch benachbarte Satelliten und terrestrischen Funk. Sie sollten nicht mehr als 6% des eigenen thermischen Rauschens betragen (s. Kap. 3.2.7). 5.5.2 Noise Power Ratio und C-IM3 Zur Erfassung des Intermodulationsrauschens nintermod eines Transponders kann auch die Noise Power Ratio (NPR) verwendet werden. Hierzu wird der Transponder mit additivem, weissem Gaussischem Rauschen (Additive White Gaussian Noise; AWGN) beladen,bis auf ein schmales Band,das mit einem Notch-Filter frei gehalten wird. Nun ist die NPR das Verh¨altnis der durchschnittlichen Rauschleistung ni im Transponder (das AWGN ci plus Intermodulationsrauschen nintermod ) zu der in dem frei gehaltenen Band gemessenen Intermodulationsleistung ni−1 : npr =

ni ci + ninter er mod = ni−1 ninter er mod

(5.43a)

bzw. NPR = 10 log(npr) in dB

(5.43b)

Aus npr kann auch das Tr¨ager/Intermodulationsrauschverh¨altnis abgeleitet werden:

5.5 Intermodulation, Kleintr¨agerunterdr¨uckung, St¨orungen

ci i ninter er mod

= npr − 1 

bzw. Ci − Ninter er mod = 10 log

ci ninter er mod

167

(5.43c)  in dB

(5.43d)

Eine weitere Gr¨osse ist das C-IM3, das Verh¨altnis der Tr¨agerleistung C auf der Frequenz f1 zur Intermodulationsleistung IM3 in einem der beiden Intermodulationsprodukte, auf der Frequenz f2 , in einem Zweitr¨agertransponder. Abbildung 5.25 zeigt die beiden Tr¨ager und die beiden Intermodulationsprodukte rechts und links.

Abb. 5.25 Zwei Tr¨ager und ihre beiden Intermodulationsprodukte

Dieses C-IM3 ist, da nur auf zwei Frequenzen gemessen, kein hinreichendes Tr¨ager/Rauschleistungs-Verh¨altnis, aber ein geeignetes Mass f u¨ r die Qualit¨at eines Verst¨arkers, da es die Linearit¨at des Ger¨ates gut widerspiegelt, und es kann einfach gemessen werden. In der Regel misst man C-IM3 in der S¨attigung des Verst¨arkers und dann in z.B. 1 dB Schritten sinkender Transponderausgangsleistung. Die Gleichung (5.43c) l¨asst sich auch umkehren zu npr = ci /nintermod + 1, oder NPR = 10 log(ci /nintermod + 1), F¨ur ci /nintermod > 10 gilt n¨aherungsweise NPR = Ci − Nintermod , wobei aber Ci − Nintermod das allgemeine Tr¨ager/Rauschleistungs-Verh¨altnis f u¨ r Vieltr¨agerbetrieb ist und nicht in direkten Zusammenhang mit dem C-IM3 des Zweitonverfahrens (Zweitr¨agerbetrieb) gesetzt oder verglichen werden darf. Der Unterschied zwischen Zwei- und Mehrtr¨agerbetrieb ist: Das Tr¨ager/Rauschleistungs-Verh¨altnis C-IM3 ist das Verh¨altnis zwischen der Leistung eines der beiden Tr¨ager zu einem der beiden Intermodulationsprodukte,also z.B.C-IM3 = 10 dB.

168

5 Das Relais im Orbit und die Streckenbilanz

Die Gesamttr¨agerleistung im Zweitr¨agerbetrieb mit zwei Intermodulationsprodukten ist dann 3 dB h¨oher und die Gesamtintermodulationsleistung der beiden Produkte ebenfalls 3 dB h¨oher, so dass Cgesamt − IMgesamt = 10 dB. Unter der Annahme, dass der Abstand zwischen Tr¨ager- und Gesamtintermodulationsrauschleistung 10 dB betr¨agt4, gilt f u¨ r Vieltr¨agerbetrieb (zun¨achst n = 3): Das Tr¨ager/Rauschleistungs-Verh¨altnis im Vieltr¨agerbetrieb zwischen der Leistung eines von z.B. drei Tr¨agern (`a −4,8 dB zur Transponderausgangsleistung) zu einem der neun Intermodulationsprodukte (s. Gl. 5.31 oben), also bei −10 dB − 10 log(9) = −19,5 dB f u¨ r jedes Produkt, ist mithin: C-N intermod = −4,8 dB − (−19,5 dB) = 14,7 dB. Jeder der drei Tr¨ager liegt 4.8 dB unter der Transponderausgangsleistung und jedes der neun Intermodulationsprodukte bei −19,5 dB; das C-N intermod = 14,7 dB ist 4,7 dB besser als das C-IM3 = 10 dB f u¨ r den Zweitr¨agerbetrieb. Bei vier Tr¨agern mindert sich der Betrag von 4,7 dB etwas, und schon bei einer m¨assigen Anzahl von Tr¨agern erreicht er ca.3 dB,so dass sich in erster N¨aherung das Tr¨ager/Intermodulationsrauschen in einem Tr¨ager eines Zweitr¨agertransponders, das C-IM3, mit dem NPR f u¨ r Vieltr¨agerbetrieb wie folgt verhalten: NPR = C-IM3 − 4 dB, das Tr¨ager/Intermodulationsrauschverh¨altnis bei vielen Tr¨agern im Transponder ist ca.3 dB h¨oher als im Zweitr¨agerfall,bei gleichem Arbeitspunkt (Operating Point) des Verst¨arkers. 5.5.3 Third Order Intercept, TOI Eine g¨angige Beschreibung der Intermodulation eines Verst¨arkers ist der Schnittpunktes der linearen Verl¨angerung der Leistung der Intermodulationsprodukte dritter Ordnung mit der linearen Verl¨angerung der Eingangs/Ausgangs-Leistungskurve des Verst¨arkers (der Third Order Intercept, TOI; s. Abb. 5.26.). Der TOI/IP3 ist der hypothetische Ausgangspegel, bei dem die St¨ortr¨ager die Leistung der Tr¨ager erreichen w¨urden. Im Bild liegt dieser Schnittpunkt 8 dB u¨ ber der S¨attigung der Eingangs/Ausgangs-Leistungskurve – das ist der Kennwert des TOI (auch IP3). Typisch sind auch 10 dB und bis zu 20 dB u¨ blich.Oft wird der TOI auch auf den„P1dB“-Punkt bezogen; das ist der Punkt auf der Eingangs/Ausgangs-Leistungskurve des Verst¨arkers, an dem sie um 1 dB gegen die lineare Verl¨angerung abgefallen ist. 4

das heisst, dass die Summenintermodulationsleistung unabh¨angig von der Anzahl der Tr¨ager im Transponder ist; siehe hierzu R.J. Westcott, C.Eng., M.I.E.E., „Investigation of multiple f.m./f.d.m. carriers through a satellite t.w.t. operating near to saturation“; The Institution of Electrical Engineers, London, UK, April 1967; equation 9, Pcarrier / Pintermod = const f¨ur eine beliebige Anzahl von Tr¨agern ; da Pcarrier = const = Ptransmit - Backoffout , ist auch das Summen-Pintermod = konstant.

5.5 Intermodulation, Kleintr¨agerunterdr¨uckung, St¨orungen

169

Abb. 5.26 Der Schnittpunkt der Leistung der Intermodulationsprodukte dritter Ordnung mit der Verl¨angerung der Eingangs/Ausgangs-Leistungskurve – der Third Order Intercept

Dieser Schnittpunkt ist ein Mass f u¨ r die St¨orung durch den Sender. Zur Messung gibt man zwei um f separierte Tr¨ager in den Empf¨anger, der im Idealfall zwei Tr¨ager ausgeben w¨urde.Auf Grund von Nichtlinearit¨aten werden St¨ortr¨ager 3. Ordnung generiert, f u¨ ber dem oberen und f unter dem unteren Tr¨ager. Mit zunehmender Leistung der beiden Tr¨ager nimmt die Leistung der St¨ortr¨ager ebenfalls zu, und zwar um 3 dB pro 1 dB, w¨ahrend die Tr¨ager nur um 1 dB pro dB zunehmen. Der TOI/IP3 bestimmt die Obergrenze des dynamischen Bereiches des Empf¨angers. Neben der Intermodulation dritter Ordnung (und dem TOI) wird auch der Schnittpunkt der Intermodulation zweiter Ordnung (Second Order Intercept) und f u¨ nfter Ordnung (Fifth Order Intercept) angegeben (s. Abb. 5.27). Neben der Verst¨arkereingangs-/-ausgangskurve, die mit 1 dB pro dB ansteigt, steigt die Leistung der Intermodulation zweiter Ordnung mit 2 dB pro dB, die Leistung der Intermodulation dritter Ordnung mit 3 dB pro dB, bis hin zur Leistung der Intermodulation f u¨ nfter Ordnung mit 5 dB pro dB an. Die Leistung der Intermodulation dritter Ordnung u¨ berwiegt die der Intermodulationen h¨oherer Ordnungen so weit, dass die Summenintermodulation im Mittel mit 3 dB pro dB ansteigt. Damit ist auch die Kurve f u¨ r die „3rd Order Intermodulation“ in Abb. 5.26 beziehungsweise der aktuelle Arbeitspunkt auf dieser Kurve eine gute erste N¨aherung an die Leistung der Gesamtintermodulation im Transponder bzw. anteilsm¨assig im Tr¨agerbudget.

170

5 Das Relais im Orbit und die Streckenbilanz

Schnitt 5. Ordnung

Ausgang [dB] 0

Schnitt 3. Ordnung

Sättigung y2

y1

5

Schnitt 2. Ordnung

y1 10

Eingang/ Ausgang, 1 dB/dB

15

Störung 2. Ordnung 2 dB/dB 2 y2

Störung 3. Ordnung 3 dB/dB Störung 5. Ordnung 5 dB/dB

15

10

5

0

Eingang [dB]

Abb. 5.27 Die Schnittpunkte der Intermodulationsprodukte zweiter, dritter und f¨unfter Ordnung mit der (gestrichelten) Verl¨angerung der Eingangs/Ausgangs-Leistungskurve

5.5.4 Frequenzplan zur Vermeidung von Intermodulation ¨ Es ist m¨oglich, die Uberlagerung von Nutztr¨agern durch Intermodulationstr¨ager zu vermeiden, die St¨orung durch Intermodulation zu eliminieren. W.C.Babcock5 hat gezeigt, dass durch entsprechende Spreizung der Tr¨agerfrequenzen die Tr¨agermittenfrequenzen von Intermodulatonstr¨agern freigehalten werden k¨onnen. Der Babcock-Frequenzplan verlangt, dass der Frequenzversatz zweier beliebiger Tr¨agerfrequenzen im Transponder nur einmal auftritt: f1 + 1 = f2 ;

f2 + 2 = f3;

f3 + 3 = f4 ;

f4 + 4 = f5 ,f5 + . . .

und i = j . Rigoroses Babcock-Spacing nimmt ungleich h¨ohere Bandbreite in Anspruch, aber es k¨onnen auch schon mit reduziertem Babcock-Spacing mit nur 25% mehr Bandbreite ca. 2 bis 3 dB niedrigere Intermodulationen erzielt werden. Wenn ein Transponder voll mit Tr¨agern belegt ist und diese Intermodulation generieren in einem Ausmass, das zu einem Arbeitspunkt des Sendeverst¨arkers f u¨ hrt,bei dem die Downlink-Leistung unzureichend ist,dann bleibt nur der Abwurf eines oder mehrer Tr¨ager. Die dadurch frei werdende Leistung kommt den im Transponder verbleibenden Tr¨agern zugute. Zus¨atzlich kann die freigewordene Bandbreite genutzt werden, die Tr¨ager so anzuordnen, dass ihre Intermodulation reduziert wird, also ein Ansatz von Babcok-Spacing. 5

Bell Laboratories, 1953

5.5 Intermodulation, Kleintr¨agerunterdr¨uckung, St¨orungen

171

Wenn das Intermodulationsrauschen der dominierende Rauschanteil ist (vor dem thermischen Rauschen der Aufw¨arts- und der Abw¨artsstrecke), dann reduziert diese Massnahme das Gesamtrauschen um bis zu 2,0 dB. Eine Minderung der Intermodulation um 2,0 dB erlaubt eine Steigerung der Ausgangsleistung um 1,0 dB.  1,0 dB Transponderbandbreite kann in 1,0 dB Transponderleistung umgesetzt werden. Wenn dieser Schritt nicht hinreicht, nimmt man die genutzte Bandbreite weiter zur¨uck. 5.5.5 Linearisierung des Verstarkers Die Probleme der Satellitensendeleistung sind meist die Nichtlinerarit¨at und der begrenzte Wirkungsgrad der Wanderfeldr¨ohre. Deshalb hat man Linearisierer entwickelt, die das Signal so vorverzerren, dass die resultierende Kennlinie linearer wird. Damit kann man 3 bis 4 dB n¨aher an der S¨attigung arbeiten, bei gleichem Verbrauch des Verst¨arkers die wirksame Sendeleistung des Satelliten also mehr als verdoppeln. Die Abb. 5.23 stellt das Ergebnis eines rein passiven Linearisierers dar, der seine Verluste im Kleinsignalfall nicht kompensiert. Die Kennlinie verschiebt sich um den Betrag der Kleinsignalverluste nach rechts. Abbildung 5.24 zeigt einen aktiv kompensierten Linearisierer, dar seine Verluste im Kleinsignalbereich durch eine Verst¨arkerstufe kompensiert. Mit steigender Eingangsleistung steigt die Verst¨arkung dieses Linearisierers nicht-linear an und kompensiert somit die Kompression der R¨ohre. Der gleiche Arbeitspunkt wird mit weniger Eingangsleistung erreicht. So erlauben Linearisierer den Betrieb der Satellitenverst¨arker n¨aher der S¨attigung: 5 dB Output-Backoff im nichtlinearisierten Transponder werden zu 2 dB Output-Backoff im linearisierten Betrieb. Linearisierer sind auch in Erdfunkstellen eingesetzt,so dass auch hier dieVerst¨arker insb.bei Mehrtr¨agerbetrieb n¨aher der S¨attigung gefahren werden k¨onnen.In beiden F¨allen, Satellit und Erdfunkstellen, wird die kostspielig installierte Sendeleistung deutlich effektiver genutzt. 5.5.6 Die passive Intermodulation, PIMPs Neben Intermodulation in aktiven Komponenten,insbesondere in Verst¨arkern,entsteht Intermodulation auch in passiven Komponenten, wie z.B. in Konnektoren, in denen zwei verschiedene Metalle aufeinander treffen, oder in Segment-Antennen, an den („nicht-linearen“) Spalten zwischen zwei Segmenten. Auch die Leistung dieser passiven Intermodulationsprodukte (PIMPs) ist proportional zur Tr¨agerleistung der Signale. Da man die Tr¨agerleistung und die Performance der Satellitenstrecke nicht durch passive Intermodulation beschr¨anken will,

172

5 Das Relais im Orbit und die Streckenbilanz

Der linearisierte Transponder Ende des linearen Bereichs des nichtlinearisierten Verstärkers -

Satellitenausgangsleistung

---

Ende des linearen Bereichs des passiv linearisierten Verstärkers

Maximum

Höhere Ansteuerung des linearisierten Verstärkers

Leistung auf der Aufwärststecke

Abb. 5.28 Die Kennlinie des rein passiv linearisierten Verst¨arkers

Der linearisierte Transponder Ende des linearen Bereichs des nichtlinearisierten Verstärkers -

--

Ende des linearen Bereichs des aktiv linearisierten Verstärkers

Satellitenausgangsleistung

Maximum des nichtlinearisierten Transponders Maximum des linearisierten Transponders Gleiche Ansteuerung des linearisierten Verstärkers

Leistung auf der Aufwärststecke

Abb. 5.29 Die Kennlinie des aktiv kompensierten Verst¨arkers

5.5 Intermodulation, Kleintr¨agerunterdr¨uckung, St¨orungen

173

gilt es, Konnektoren und insbesondere Antennen etc. so zu fertigen, dass PIMPs minimiert sind. 5.5.7 Zusammenfassung Intermodulation Ausser bei speziellen Fernsehsatelliten, bei denen meist Einzeltr¨ager in Transpondern u¨ bertragen werden, werden in der Satellitenkommunikation meist mehrere Hochfrequenztr¨ager in einem Satellitentransponder u¨ bertragen. Diese intermodu¨ lieren untereinander, wenn der Ubertragungskanal nicht absolut linear ist. Es entsteht dabei sowohl passive Intermodulation (Passive Inter-Modualtion Products; PIMPs) an Nichtlinearit¨aten im Transponder, insbesondere aber auch in der Satellitensendeantenne, etc.) als auch so genannte aktive Intermodulation in aktiven Komponenten, vornehmlich dem Sendeverst¨arker. Deshalb ist es notwendig, insbesondere die Antennen so PIMP-frei wie m¨oglich zu konstruieren, und insbesondere die Sendeverst¨arker so linear wie m¨oglich auszulegen. Dazu werden nicht perfekt lineare Verst¨arker linearisiert. Die Kosten der Linearisierer sind vernachl¨assigbar im Vergleich zu der dadurch erwirkten Leistungsst¨arkung; es w¨are schlechtes System Engineering, auf Linearisierer zu verzichten und kostbare Sendeleistung zu vergeuden. Der Betrieb eines jeden Transponders muss optimiert werden, in der Frequenzplanung der Tr¨ager und der Wahl des Arbeitspunktes, um ihn mit der nominell ¨ m¨oglichen Ubertragungskapazit¨ at betreiben zu k¨onnen.Die Frequenzplanung sollte auf der Grundlage des Babcok-Spacing erfolgen. Durch geeignete Anordnung der Tr¨ager und gegebenenfalls etwas brach gelassener Bandbreite kann das Intermodulationsrauschen um 2 bis 3 dB reduziert werden. 5.5.8 Die Kleintragerunterdruckung Die in Intermodulationsprodukte gehende Leistung geht den Nutztr¨agern ab.Wenn einem Transpondereinzeltr¨ager ein zweiter Tr¨ager gleicher Eingangsleistung hinzugef u¨ gt wird, sinkt die Ausgangsleistung des Tr¨agers um etwa 4,5 dB: 3 dB weil er sich die Gesamtleistung mit einem Zweiten teilen muss, und weitere 1,5 dB, die in die Mischprodukte (2f1 − f2 , 2f2 − f1 etc.) gehen. Bei der gleichzeitigen Verst¨arkung von zwei Signalen verschiedener Pegel (z.B. ein regul¨arer Kommunikationstr¨ager und ein schwaches Seenotrufsignal) wird dem schwachen Signal z.B. 75% seiner Leistung genommen – es wird im Verh¨altnis der Ausgangsleistungen um 6 dB relativ zum Verh¨altnis der Eingangsleistungen unterdr¨uckt. Dieser Effekt der Kleintr¨agerunterdr¨uckung (Small Carrier Suppression) muss bei der Transponderplanung ber¨ucksichtigt bzw. pr¨a-kompensiert werden.  Bei ungleichen Tr¨agerleistungen werden die Kleinen anteilsm¨assig st¨arker unterdr¨uckt als die Grossen.

174

5 Das Relais im Orbit und die Streckenbilanz

5.5.9 Funksto rungen Zu den eigenverursachten St¨orungen einer Satellitenstrecke geh¨oren Ko-Frequenz-Transpondersto rungen Ein Transponder kann den anderen, auf der gleichen Frequenz in der orthogonalen Polarisation arbeitenden Transponder st¨oren. Diese Ko-Frequenzst¨orung beruht auf der Kreuzpolarisationsreinheit zum st¨orenden Gleichwellentransponder, z.B. 27 dB auf der Auf- und der Abstrecke; die Gesamtst¨orung also 24 dB unter dem Arbeitspegel: I = EIRP − 24 dB. Sind die EIRP trans des eigenen und EIRP St¨orer des st¨orenden Transponders etwa gleich gross, so ist das transpondergemittelte Tr¨ager/St¨orverh¨altnis im Beispiel C-I = EIRPtrans − I = EIRPtrans − EIRPSt¨orer + 24 dB = 24 dB. Wenn einem grossen Tr¨ager (z.B. einem TV-Signal) im Kreuztransponder ein kleiner (z.B. ein SCPC) gegen¨ubersteht, so dass P = 10 log(40 Mbit/s/64 kbit/s) = 28 dB, dann wird C-I = (24 − 28)dB = −4 dB, ein Wert unterhalb des notwendigen Gesamt-Tr¨ager/ Rauschleistungsverh¨altnisses. Der Frequenzplan muss so ge¨andert werden, dass der kleine Tr¨ager nicht dem grossen gegen¨ubersteht. Bei einer Kreuzpolarisationsreinheit der beiden Gleichwellentransponder von < 27 dB sollte die Differenz der Tr¨agerleistungen gleichfrequenter Tr¨ager etwa null sein, sonst wird die Ko-Frequenztransponderst¨orung dominierend. Nachbartranspondersto rungen Frequenzbenachbarte Transponder st¨oren umso mehr, je schlechter die beiden Bandpassfilter sind. Der Schutzabstand zwischen Transpondern und deren Bandpassfilter muss so ausgelegt werden, dass Nachbartransponderst¨orungen sowohl im Uplink als auch im Downlink hinreichend begrenzt werden.  Eigensto rungen durch die Uberlagerung von Ko-Frequenzsignalen ¨ Eigenst¨orungen durch die Uberlagerung von bandgespreizten Ko-Frequenzsignalen (bei Spread Spectrum Anwendungen) werden von Rauschleistung der Gr¨osse n = no · b + c · k belastet, mit no der Transponderrauschleistungsdichte, b der ¨ Bandbreite, c der Tr¨agerleistung und k der Anzahl der Uberlagerungen. AM/PM-Konversion Die (ungew¨unschte) Wandlung von Amplituden- zu Phasenmodulation (AM/PMKonversion) im Sendeverst¨arker verursacht Degradationen bei analoger aber auch ¨ bei digitaler Ubertragung.

5.6 Das Soll und Haben der Streckenbilanz

175

Transpondergruppenlaufzeit verursachte Degradationen Die Transpondergruppenlaufzeit (Group Delay) verursacht speziell bei grossen, analogen Tr¨agern Degradationen.

5.6 Das Soll und Haben der Streckenbilanz 5.6.1 Das Haben, das Strecken-Trager/Rauschleistungsverhaltnis Das Haben der Streckenbilanz ist das Tr¨ager/Rauschleistungsverh¨altnis der Gesamtstrecke. Es wird wie in Kap. 5.1.2 gezeigt, ermittelt. Beispiel: Gegeben seien C-N up = 26 dB, C-N intermod = 19 dB, C-N down = 16 dB und C-N Interferenz = 29 dB. Das  zwischen C-N intermod und C-N down ist 3 dB; D = −1,76 dB; der Verbund der beiden ist somit 14,24 dB. Das neue  zwischen 14,24 dB und C-N up von 26 dB ist 11,76 dB, mit einem D = 0,28 dB und einer neuen Zwischensumme von 13,96 dB. Das  zu C-N Interferenz ist 15,04 dB, dem D = 0,13 dB entspricht und ein GesamtTr¨ager/Rauschleistungsverh¨altnis von 14.9 dB. In Abb. 5.18 sind die Anteile am Gesamt-Tr¨ager/Rauschverh¨altnis aufgezeigt: – C-N up wird mit zunehmender Leistung dB f u¨ r dB besser, ist auf der dB-Skala eine Gerade mit 45◦ Steigung (C-N us ist der Wert f u¨ r die S¨attigung): C-N up = C-N us − BOin

(5.44)

– C-N intermod verl¨auft wider die Anteile C-N up und C-N down , die durch Erh¨ohung der Tr¨agerleistung zum thermischen Rauschen verbessert werden k¨onnen. Das Intermodulationsrauschen erh¨oht sich bei zunehmender Leistung mit der dritten Potenz der Leistung: das Tr¨ager/Rauschverh¨altnis schwindet mit c/c 3 = 1/c 2. Auf der dB-Skala f¨allt die C-N intermod -Kurve 2 dB pro dB. Es gilt n¨aherungsweise: C-N im = 10 dB + 2BOout (5.45) – C-N down w¨achst wie C-N up mit zunehmender Leistung bis zu dem Punkt im Satellitenverst¨arker, an dem trotz zunehmender Eingangsleistung kein Ausgangsleistungsanstieg sondern ein Abfall eintritt. Diesen Arbeitspunkt nennt man die S¨attigung des Verst¨arkers. Das C-N down spiegelt dieses Verhalten des Sendeverst¨arkers wieder: C-N down = C-N ds − BOout

(5.46)

wobei C-N ds das Tr¨ager/Rauschverh¨altnis der Abw¨artsstrecke in der S¨attigung ist. – C-N Interferenz wird von St¨orungen aus benachbarten Satellitensystemen und terrestrischem Richtfunk erzeugt und w¨achst linear mit der Leistung des Tr¨agers; C-N Interferenz = F{BOout } = C-N total + 12,2 dB

(5.47)

176

5 Das Relais im Orbit und die Streckenbilanz

– C-N interfacility link entsteht innerhalb der Erdfunkstelle nach dem Downconverter und vor dem Demodulator; es verh¨alt sich wie C-N Interferenz ; – C-N total ist die Summe aller Tr¨ager/Rauschleistungsverh¨altnisse:   −(C−Nup ) −(C−Nim ) −(C−Ndown ) −(C−NInterferenz ) 10 C − Ntotal = 10 log 10 10 + 10 10 + 10 10 (5.48) + 10 Die Kulmination der C-N total -Kurve ist der optimale Arbeitspunkt. Arbeitspunkte niedriger oder h¨oherer Leistung resultieren in niedrigeren Werten f u¨ r C-N total ¨ und somit geringerer Ubertragungskapazit¨ at. Wie l¨asst sich dieses Optimum berechnen? Man dr¨uckt die einzelnen Tr¨ager/Rauschverh¨altnisse als Funktion des Arbeitspunktes aus, und zwar nicht absolut, sondern relativ zum S¨attigungswert. Die Drosselung des Arbeitspunktes unter die S¨attigung ist der Backoff (BO). Das Tr¨ager/Rauschleistungsverh¨altnis C-N total als Funktion des Backoffs ist: ntotal /c = 10−(C−N us−BOin)/10 + 10−(8+2BOout)/l0 + 10−(C−N ds−BOout)/10 = 10−0.1C−N us 100.1BOin + 10−0.8 10−0.2BOout + 10−0.1C−N ds 100.1BOout Die Beziehung der beiden Vorhalte BOin und BOout ist zum Beispiel: 2 BOout = 0,05 · BOin

f u¨ r BOin ≤ 12 dB

(5.49a)

und BOout = BOin − 4,8 dB

f u¨ r BOin ≥ 12 dB

(5.49b)

Damit l¨asst sich c/ntotal als Funktion von BOout schreiben, nach BOout ableiten und maximieren. Da sich die Uplink-Sendeleistung (in der Erdfunkstelle) leichter erzeugen l¨asst, als f u¨ r die Abstrecke (im Satelliten), ist es oft sinnvoll, C-N up um 6 bis 10 dB h¨oher auszulegen, als C-N down , so dass das System nicht von der wirtschaftlich weniger aufwendigen Gr¨osse begrenzt wird. Dann kann das Verh¨altnis C-N up aus der Betrachtung ausgeklammert werden. Dies trifft nicht zu bei VSAT und insbesondere Mobilfunk zum Handy, bei denen man Uplink und Downlink i.A. symmetrisch auslegt.

 5.6.2 Das Soll, das Ubertragungs-Tr ager/Rauschleistungsverhaltnis Im Vorangegangenen wurde das Haben der Streckenbilanz hergeleitet. Hier wird das Soll aufgezeigt, das notwendig ist, um die Daten mit der gew¨unschten Geschwindigkeit und Qualit¨at zu u¨ bertragen.F¨ur Analogverfahren wird das geforderte ¨ Ubertragungs-Tr¨ ager/Rauschleistungsverh¨altnis durch die FM-Gleichung angegeben. Dazu sind die Gr¨ossen definiert:

5.6 Das Soll und Haben der Streckenbilanz

sbb rbb Bbb Bc

= = = =

177

Signalleistung im Basisband in mW; S = 10 log(sbb ) in dBW Rauschleistung im Basisband in pW; R = 10log(rbb) in dBW Bandbreite eines Telefonkanals im Basisband Carson-Bandbreite nach dem Modulator = 2(fm + Dp ) in Hz (5.50)

fm = Mittenfrequenz des obersten Basisbandtelefonkanals Dp = Spitzenfrequenzhub des Hochfrequenztr¨agers n = Anzahl der Kan¨ale pro Tr¨ager (i.A. ist n = 12m) frms = effektiver Frequenzhub des Hochfrequenztr¨agers dr = effektiver Frequenzhub des Referenz-Sinustones dp = Spitzenfrequenzhub des Referenz-Sinustones m = effektiver Modulationsindex = frms /fm

(5.51)

R = Spitzen/Effektiv-Verh¨altnis des Signals = Dp /frms {es ist 10 log(r 2 ) = 10 dB,r = 3,16}

(5.52)

PR = Verbesserung durch Pre-Emphase = 4,0 dB Pp = psophometrischer Gewichtungsfaktor = 2,5 dBp6

(5.53) (5.54)

Schl¨usselparameter f u¨ r die Bestimmung des Hochfrequenz-Tr¨ager/Rauschleistungsverh¨altnisses ist das Verh¨altnis von Signal- zu Rauschleistung s/r im Telefonkanal:     S − R = 10 log (s [mW]) − 10 log rbb pW · 109 (5.55) wobei die Rauschleistung r in pW (10−12W) mit 109 multipliziert wird,damit sie mit s, das in mW (dBm = 10−3 W) gegeben ist, dividierbar wird. F¨ur die messtechnische Bestimmung des S-R gibt man f u¨ r das Signal s einen Testton von 1 mW (0 dBm = −30 dBW) ein und misst die Rauschleistung rbb (in pW = 10−12W: S-R = −30 dBW − 10 log(rbb ) + 120 = 90 − 10 log(rbb )

in dB

F¨ur rbb = 7500 pW (INTELSAT-Telefonstandard) erh¨alt man z.B. S-R = 51,25 dB. Wenn mehrere Telefonkan¨ale (z.B. per Einseitenband-Amplitudenmodulation) auf ¨ einen Tr¨ager gemultiplext werden und dieser frequenzmoduliert dem Ubertragungsrauschen ausgesetzt wird, misst man das gr¨osste Rauschen (nach der FMDemodulation) im obersten Telefonkanal (bei fm).Deshalb muss der Tr¨ager/Rauschabstand bei der Frequenz fm gemessen werden. Die allgemeine AM-Gleichung Bei der Amplitudenmodulation ist S-R = C-N, bei Einseitenbandmodulation (SSAM) S-R = C-N + 3 dB (5.56) 5

dBp = Dezibel psophometrisch bewichtet

178

5 Das Relais im Orbit und die Streckenbilanz

Die allgemeine FM-Gleichung Im allgemeinen Fall des Vielkanal-Hochfrequenztr¨agers werden mehrere Telefonkan¨ale auf einen gemeinsamen Tr¨ager z.B. per Amplituden-Einseitenbandmodulierung gemultiplext und dieser Tr¨ager dann frequenzmoduliert u¨ bertragen. Die FM-Gleichung f u¨ r diesen Fall des Vielkanal-Hochfrequenztr¨agers stellt sich in der folgenden Form dar:     dr Bc S − R = C − N + 20 log + 10 log + PR + PP in dBp (5.57) fm Bbb ¨ Mit dieser FM-Gleichung wird das Soll f u¨ r die Dimensionierung einer Ubertragungsstrecke bestimmt.  Ubertragung mit FDM/FM/FDMA ¨ Die h¨aufigste Ubertragungsart in der Satellitenkommunikation war bisher, Einzeltelefonkan¨ale per Einseitenband-Amplitudenmodulation auf einen Tr¨ager aufzumultiplexen (Frequency Division Multiplex; FDM), diesen zu frequenzmodulieren (FM) und eine Anzahl dieser FM-Hochfrequenztr¨ager in einem Transponder im Frequenzvielfachzugriff (Frequency Division Multiple Acces; FDMA) zu u¨ bertragen. Die drei bestimmenden Parameter der FM-Gleichung in diesem SSAM/FDM/FM/FDMA Verfahren sind: – Tr¨ager/Rauschleistungsverh¨altnis als Funktion des geforderten Signal/Rauschabstandes – Carson-Bandbreite Bc (in der Hochfrequenz) – Anzahl n der Telefonkan¨ale pro Hochfrequenztr¨ager. Von diesen Parametern werden jeweils zwei vorgegeben, der dritte ergibt sich. Der in der FM-Gleichung noch unbekannte Frequenzhub Dp des Referenz-Sinustones kann aus der Holbrook-Dixon-B¨undelgleichung bestimmt werden.    Dp f u¨ r n < 240 −1 + 4 log(nr 2) 20 log = (5.58) −15 + 10 log(nr 2) f u¨ r 240 < n < 2400 dr Der Frequenzhub Dp kann aus der Definitionsgleichung der Carson-Bandbreite Bc gewonnen werden. So ergibt sich die FM-Gleichung f u¨ r den Fall von FD M/FM/ FDMA zu:       Dp Bc Bc +20 log +10 log −20 log(fm )+PR +PS S−N = C −N −20 log dr 2 − fm Bbb (5.59) Die Mittenfrequenz des obersten Basisbandkanals ist gegeben durch: fm = 8,5 + 4,15n in [kHz] (n ist im Allgemeinen ein ganzzahliges Vielfaches von 12)

(5.60)

5.6 Das Soll und Haben der Streckenbilanz

179

Somit sind alle Gr¨ossen f u¨ r die Berechnung des Solls der Streckenbilanz bei ¨ FDM/FM/FDMA Ubertragung gegeben. Eine andere M¨oglichkeit der Berechnung ist der Weg u¨ ber das Rauschleistungsverh¨altnis (Noise Power Ratio; NPR), definiert als:   fm −1 + 4 log(n) f u¨ r n ≤ 240 NPR = S − R − 10 log (5.61) −15 + 10 log(n) f u¨ r n ≥ 240 Bbb Daraus kann man das Tr¨ager/Rauschleistungsverh¨altnis wie folgt berechnen:  3  f C-N = NPR − PR + 10 log 2m − 10 log(Bc ) (5.62) frms Die NPR ist in der Regel bereits psophometrisch gewichtet.  Ubertragung mit SCPC/FM/FDMA ¨ Die FM-Gleichung f u¨ r die SCPC/FM/FDMA-Ubertragung erh¨alt man zu: S-R = C-N + 10 log(3dp2 /r 2 · Bbb · fm2 ) + 10 log(Bc ) + CA Die Compander-Verbesserung CA berechnet sich zu: CA = 0,5C-N + 10 log(Bc ) + 10 log(3dp2/2Bbb · fm2 ) − 7,4 dB Aus diesen Gleichungen ergibt sich: S-R = 1,5C-N + 10 log(Bc ) + 30 log(dp ) − 15 log(Bbb · fm2 ) − 117 dB Parameter fu r frequenzmodulierte Fernsehu bertragung ¨ Die FM-Gleichung f u¨ r die Ubertragung von frequenzmoduliertem TV lautet: S-R = C-N + Modulationsgewinn + Preemphase&Bewertung =   # $ "   % D = C − N + 10 log fBm + 20 log fmp + 10 log (6) + Pr + Pf mit fm B Pr Pf Dp

= = = = =

in [dB] (5.63)

5 MHz bei PAL bzw. 4 MHz bei NTSC 2(fm + Dp ) = 17 bis 27 MHz; h¨angt u.a. vom Satellitentransponder ab 2,0 dB (CCIR Rec. 421, System D, K, L); 11,2 dB (nach EBU f u¨ r PAL); Spitzen-Frequenzhub des Hochfrequenztr¨agers, wenn mit einem 1 VVideo-Signal beaufschlagt; aus B = 2(fm + Dp ) folgt mit fm = 5 MHz, = B/2 − fm in MHz (B h¨angt u.a. vom Transponder ab), ergibt sich z.B. f u¨ r PAL Dp = 7,5 MHz, der Frequenzhub „Spitze-Null“, S-R = 13 + 10 log(27/5) + 20 log(7,5/5) + 10 log(5) + 2,0 + 11,2 = 50 dB.

180

5 Das Relais im Orbit und die Streckenbilanz

Um ein Fernsehbild guter Qualit¨at in PAL zu u¨ bertragen, ist ein Signal/Rauschabstand S-R von mindestens 48 dB notwendig.Aus diesem S-R kann der erforderliche Tr¨ager/Rauschabstand C-N mit der FM-Gleichung bestimmt werden: C-N = S-R − Gfm − Pr − Po − Pf wobei Gfm = 10 log[3(2Dp )2 B/(2fm3 )], der Modulationsgewinn Pr = 2 dB (Preemphase), Po = 11.2 dB (optische Gewichtung) und Pf = 3,5 dB, der Gewinn durch Bewertungsfilter. Mit B = 27,0 MHz und fm = 6,0 MHz, C-N = 48 dB – 16,25 dB – 16,7 dB = 15,05 dB. ¨ Die erforderliche Tr¨ager/Rauschleistungsdichte C-N o f u¨ r die analoge Ubertragung des PAL-Tr¨agers in einem 27 MHz Transponder ist C-N o = 89,4 dBHz.  Digitale Ubertragung ¨ In der digitalen Ubertragung ist die Phasenabtastung das prim¨are Modulationsverfahren. Die Gleichung dazu lautet C-N = Eb − No + 10 log br + IM − CG − B

(5.64)

wobei Eb − No das Verh¨altnis (in dB) von Energie pro Bit zu Rauschleistungsdichte f u¨ r das gew¨ahlte Modulationsverfahren ist, br die Bitrate in bit/s, IM die Implementationsmarge des Modems, CG der Codiergewinn und B die verwendete Hochfrequenzbandbreite. Die Eb −No ist in Tabelle 5.6 f u¨ r verschiedene Modulationsverfahren und Bitfehlerraten gezeigt. Aus der Tabelle ist auch ersichtlich, dass 2-PSK (BPSK) die gleiche Leistung wie 4PSK (QPSK) ben¨otigt. Da 2PSK aber die doppelte Hochfrequenzbandbreite einnimmt, wird sie weniger und weniger verwendet.  Digitale im Vergleich zur analogen Ubertragung Der Unterschied zwischen digitaler und analoger Technik soll an Hand einer Fernseh¨ubertragung u¨ ber Satellit dargestellt werden. Die Analogtechnik ist PAL, f u¨ r ¨ die digitale ist die Summenbitrate 45 Mbit/s. Beide Ubertragungen sind in einem Transponder von 27 MHz Bandbreite (z.B. ASTRA) untergebracht. Digitale Fernsehu bertragung In einem 27 MHz Transponder k¨onnen mit QPS im Eintr¨agerbetrieb 45 Mbit/s u¨ bertragen werden. In diesem Bitstrom k¨onnen per TDM bis zu 20 MPEG-2 TV¨ Programme gemultiplext werden. Die zur Ubertragung des Summenbitstroms notwendige Tr¨ager/ Rauschleistungsdichte berechnet sich wie folgt:

5.6 Das Soll und Haben der Streckenbilanz

181

= 10−6 (Bitfehlerrate; 1 Fehlerbit in 1 000 000 u¨ bertragenen Bit); = 7/8 (Forward Error Correction der Rate 7/8); Coding Gain CG = 3 dB; Eo − No = 7,5 dB (Bitenergie/Rauschleistungsdichte einschl. Coding Gain) C-N o = 10 log(45 Mbit/s) + Eo − No = 84,0 dBHz. ¨ Die digitale Ubertragung von 45 Mbit/s (f u¨ r 20 TV-Programme) ben¨otigt 5,4 dB ¨ weniger Leistung (bzw. C-N o ) als die analoge Ubertragung eines einzigen PALTr¨agers.

BER FEC

Fazit Die um 5,4 dB niedrigere Leistungsforderung der Digital¨ubertragung kann zu reduzierten Anforderungen f u¨ hren: (1) die Satellitensendeleistung kann um 5,4 dB reduziert werden (z.B. 16 W statt 55W); (2) der Satellitenantennengewinn kann um 5,4 dB reduziert werden, was die Vergr¨osserung des Versorgungsgebietes um den Faktor vier erm¨oglicht; (3) die Anforderung an die Empfangsanlage kann um 5,4 dB reduziert werden, was eine Halbierung ihres Antennendurchmessers bedeutet! Es kann auch eine Kombination aller drei Massnahmen gew¨ahlt werden. C-Band im Vergleich zu Ku-Band Die Satelliten-EIRP im Ku-Band ist typischerweise 10 dB h¨oher als im C-Band (z.B. 55 statt 45 dBW,bei gleicher Bedeckung).Daf u¨ r ist die (trockene) Dispersion um bis zu 10 dB h¨oher (bei 10,7 GHz statt 3,4 GHz). In trockenen Klimazonen k¨onnte die Ku-Band Empfangsantenne kleiner sein. Sendeseitig muss jedoch die gleich grosse Wirkfl¨ache eingesetzt werden, um die h¨ohere Dispersion der Aufstrecke zu kompensieren (bei gleichem Antennengewinn im Satelliten, der frequenzunabh¨angig ist). Oft wird sogar eine gr¨ossere Ku-Band-Antenne am Boden eingesetzt, (1) um die elektrische Sendeleistung des Terminals zu reduzieren (Verst¨arker sind teuer und haben endliche Betriebszeiten) (2) damit man sich vor St¨orabstrahlungen benachbarter Satelliten besser sch¨utzt (je gr¨osser die Apertur desto mehr Diskriminierung der Nachbarsatelliten) (3) um in „feuchten“ Klimazonen der Regend¨ampfung Herr zu werden. 5.6.3 Das Soll gleich Haben der Satellitenu bertragung Das Soll sind die geforderten C-N req der Einzeltr¨ager. Das Haben ist die im Transponder verf u¨ gbare EIRP bei gegebenem G-T.Es werden die C-N Soll f u¨ r jeden Tr¨ager bestimmt, dann das Summen-C-N Soll ermittelt und der verf u¨ gbaren Transponderleistung C-N Haben gegen¨ubergestellt, um festzustellen, ob die Transponderbelegung machbar ist.

182

5 Das Relais im Orbit und die Streckenbilanz n &

EIRPi ≤ EIRPtransp − BOout

(5.65)

i=1

Soll Haben

Abb. 5.30 Soll und Haben der Streckenbilanz

Es muss C-N Haben > C-N Soll sein. FDMA-Verbindung Eine konventionelle FDMA-Verbindung der INTELSAT-Globalausleuchtung (mit 6 und 4 GHz) k¨onnte auf den folgenden Systemparametern beruhen: G-T sat G-T Erde PL EIRP up, down B C-N o, Haben C-N up mit C-N intermod und C-N Interferenz

= −8,1 dBi/K, die G¨ute des Satellitentransponders = 40,7 dBi/K, die G¨ute der 30 m-„Standard A“-Bodenstation, = 200,0 dB, das Uplink bei 25◦ Elevation bzw. 196 dB f u¨ r das Downlink, = 66,9 dBW (6 GHz Uplink), 8,1 dBW (4 GHz Downlink), = 2,0 MHz, die Hochfrequenzbandbreite f u¨ r n = 24 Telephonkan¨ale, = 77,0 dBHz. Damit ist = 24,4 dB und C-N down = 18,4 dB = 16,4 dB (mit 14 Tr¨agern im Transponder) = 23,0 dB, somit C-N total = 13,0 dB bzw. C-N o, Soll = 76,0 dB

und, nach Demodulation, S-R = 50,2 dBp. Dieses Signal/Rauschverh¨altnis entspricht einem Basisbandrauschen von 9500 pW. Die Verteilung der Anteile von Uplink,Intermodulation,Downlink und Interferenz ist typisch.Mit 500 pW Interfacility Link Noise bis zum Demodulator (s.Abb.5.2) ergibt sich die Gesamtrauschleistung von 10 000 pW bzw. das geforderte S-R = 50 dBp und C-N o, Haben = 77,0 dBHz > C-N o, Soll = 76,0 dB. TDMA-Verbindung In TDMA-Systemen greift nur eine Station gleichzeitig auf den Transponder zu; es entsteht keine Intermodulation. Der Arbeitspunkt ist nur von der Verst¨arkers¨attigung diktiert. So werden 1,5 bis 5 dB Sendeleistung gegen¨uber FDMA gewonnen. TDMA-Transponder in Satellite Business Systems (SBS) werden bis zu 4 dB jenseits der S¨attigung betrieben, so dass sich Ausbreitungseffekte auf der Aufstrecke

5.6 Das Soll und Haben der Streckenbilanz

183

erst mittelbar auf die Abstrecke auswirken: Da C-N total etwa symmetrisch um das Optimum ist, f u¨ hren 8 dB Abschw¨achung des Uplinks (Abszisse) zu derselben Ausgangsleistung wie die nominelle Signalleistung (Abb. 5.31).

Leistung der Abwärtsstrecke

Optimum APRegen

-4 dB

APSonne

+4 dB

C-No,gesamt

Leistung der Aufwärtsstrecke

Abb. 5.31 Wahl des Arbeitspunktes in SBS-Transpondern

Mit den gleichen Parametern des FDMA-Beispiels wird bei (6 und 4 GHz) TDMABetrieb: G-T sat , G-T Erde , PLup , PLdown und EIRPup wie oben; EIRPdown = 21,0 dBW (4 GHz Downlink; a¨quivalent zu 14 Tr¨agern), B = 36 MHz, die Transponderbandbreite. Damit ist C-N up = 14,5 dB und C-N down = 18,7 dB, mit C-N intermod gegen unendlich (weil Einzeltr¨agerbetrieb) und C-N Interferenz = 33,0 dB, ist C-N total = 13,1 dB und C-N o = 88,7 dBHz. Das Tr¨ager/Rauschverh¨altnis C-N o bzw.Eb −No l¨asst sich mit der Bitfehler-Kennlinie deuten (s. Kap. 5). Die „Wasserfallkurve“ (von links oben nach rechts unten) zeigt die f u¨ r die verwendete Modulationsart zu erwartende Bitfehlerrate (BER). So lassen sich 64 Mbit/s (2000 Sprachkan¨ale a` 32 kbit/s) mit der Leistung desselben Transponders u¨ bertragen, der im FDMA-Betrieb 14∗ 24 = 336 Kan¨ale (gleicher Qualit¨at) u¨ bermittelt (ein Faktor 6 zugunsten der Digitaltechnik). Fallbeispiel Frachtgutverfolgung mit Little LEOs ¨ Bei der Ubermittlung der aktuellen Position von Containern u¨ ber Little LEOSatelliten ist die Information (Vehikelkennung und Position) einschl. Datenpr¨aambel ca. 500 Bit (uncodiert) bzw. 1 000 Bit (codiert). Sie wird z.B. alle drei

184

5 Das Relais im Orbit und die Streckenbilanz

¨ Stunden abgesezt; die Sendung darf maximal 3 s dauern. Die Ubertragungsrate ist also 300 bit/s. Uplink-Frequenz: f = 150 MHz (Downlink-Frequenz: 138 MHz) Flugh¨ohe der Satelliten: 970 km; Schr¨agentfernung also ca. d = 1400 km Dispersion: PL = 20 log[4df /c] = 140 dB Satelliteng¨ute: G-T = −5 dBi/K. Das ben¨otigte Soll-Tr¨ager/Rauschleistungsverh¨altnis ist C-N Soll = Eb − No + 10 log[300] = 30 dB

codiert (Bitrate = 300 bit/s)

Das vorhandene Haben-Tr¨ager/Rauschleistungsverh¨altnis ist C-N Haben = P + G − PL + G-T − K = −3 dBW + 0 dBi − 140 dB − 5 dBi/K + 228,6 dBWs/K = 80,6 dB mit P = 0,5 W, der Sendeleistung und 0 dBi, dem Antennengewinn am Container; Systemreserve = 80,6 dBHaben – 30 dBSoll = 50,6 dB. Die sehr grosse Systemreserve erlaubt die Verk¨urzung der Sendezeit von 3 s auf 300 ms bei gleichzeitiger Reduzierung der Sendeleistung P auf 0,5 mW: Soll: Haben:

C-N Soll = Eb − No + 10 log[3000] = 40 dB codiert (Bitrate = 3 kbit/s) C-N Haben = −33 dBW + 0 dBi − 140 dB − 5 dBi/K + 228,6 dBWs/K = 50,6 dB

Systemreserve = 50,6 dBHaben – 40 dBSoll = 10,6 dB. Die Strecke vom Datensatelliten zur Flottenfu¨ hrungszentrale ist unkritisch. Fazit: Mit < 1 mW Sendeleistung u¨ ber eine Sendedauer von 0,3 s lassen sich 500 Nutzbit zu einem Datensatelliten absetzen. Seenotfunk Extreme Verbindungsbilanzen ergeben sich, wenn man mit sehr kleinen Antennen ohne Richtwirkung (und damit ohne Gewinn) arbeitet, wie dies bei Seenotbojen ¨ unumg¨anglich ist.Die Ubertragungsstrecke vom Distress Radio Call System (DRCS) zum Satelliten hat die folgenden Merkmale: EIRP Boje PLup G-T sat C-N o, up C-N o, intermod C-N o, down C-N o, total

10 dBW (10 W Sendeleistung, Antennengewinn 0 dBi), 188,9 dB bei 5◦ Elevation, plus 7,0 dB Mehrwegeeffekte-Marge, −12,1 dBi/K, 34,6 dBHz, unendlich (Einzeltr¨agerbetrieb), 23,0 dBHz incl. Interferenz, 22,6 dBHz bei C-N o, min 18,0 dBHz (Link Margin 4.6 dB),

¨ was gerade ausreicht, um Seenotbotschaften mit einer Ubertragungsrate von 32 bits bei 1,6 GHz (Uplink) bzw. 4,2 GHz (Downlink) im Superpositionsverfahren abzusetzen (s. hierzu auch Kap. 9.2.1, Der Seenotfunk).

5.7 Zusammenfassung der Arten von Transpondern

185

5.7 Zusammenfassung der Arten von Transpondern Man unterscheidet die folgenden Arten der Satellitennutzlast: – – – – – – –

der transparente Transponder fester Bandbreite, singul¨arer Zuweisung der transparente Transponder fester Bandbreite, dualer Zuweisung der transparente Transponder fester Bandbreite, bedarfsangepasster Frequenz der transparente Transponder bedarfsangepasster Bandbreite die bordseitige B¨undelung die bordseitige Vermittlung und der regenerative Transponder.

5.7.1 Der transparente Transponder fester Bandbreite, singularer Zuweisung Die Satellitenumsetzer (Repeater), die die Signale ohne Verarbeitung zur¨uckspiegeln, in der Frequenz tansponiert (das heisst frequenzversetzt) und leistungsverst¨arkt, nennt man transparente Transponder (s. Abb. 5.32). Empfangsantenne

Sendeantenne HPA

LPA LNA

(1)

(2)

(1) Empfangsantenne

(3)

I M U X

LPA

(4)

(5)

.. .

(2) Bandpassfilter

.. .

.. .

.. . HPA

(6) (7)

(8)

O M U X (9)

(10)

(3) Low Noise Amplifier

(4) Input MUltipleXer (IMUX) (5) Low Power Amplifier (LPA) (6) Frequenzumsetzer (7) Bandpassfilter

(8) High Power Amplifier (HPA) (9) Output MUltipleXer (OMUX)

(10) Sendeantenne

Abb. 5.32 Der Transparente Transponder mit Empfangs- und Sendeantenne

Der transparente Transponder ist die Summe der Glieder zwischen der Satellitenempfangsantenne (1) und der Satellitensendeantenne (10),also (2) das eingangsseitige Bandpassfilter, das die ungew¨unschten Signale der benachbarten Frequenzen ausfiltert, (3) der rauscharme Vorverst¨arker (Low Noise Amplifier; LNA), (4) der Input Multiplexer (IMUX), der das Summensignal in die einzelnen Transponder teilt, (5) die n¨achste Verst¨arkerstufe (LNA), (6) der Transponierer (der Frequenzumsetzer), (7) ein Bandpassfilter, das die bei der Frequenzumsetzung entstandenen harmonischen Frequenzen ausfiltert, und schliesslich (8) der High Power Amplifier (HPA), der aus mehr als einem Verst¨arker besteht. Danach werden die multiplen Transponder (9) im Output Multiplexer (OMUS) wieder zusammengefu¨ hrt und auf die Satellitensendeantenne geleitet.

186

5 Das Relais im Orbit und die Streckenbilanz Empfangs- und Sendeantenne Diplexer

(1)

(2)

LNA

(3)

(1) Empfangs-/Sendeantenne

(4)

I M U X

HPA

LPA etc.

etc.

LPA

(5)

(6)

HPA

(7)

(8)

(9)

O M U X

(10)

(2) Duplexer / Frequenzweiche (3) Bandpassfilter

(4) Low Noise Amplifier (LNA)

(5) Input MUltipleXer (IMUX) (6) Low Power Amplifier

(7) Frequenzumsetzer

(8) Bandpassfilter

(9) High Power Amplifier

(10) Output MUltipleXer (OMUX)

Abb. 5.33 Der Transparente Transponder mit nur einer Antenne

Die Bandbreite dieses Transponders ist fest und kann nicht im Orbit ge¨andert werden. Der Transponder ist auf eine Antenne geschaltet (nicht mehrere). Bei Erdfunkstellen wird generell, bei Satelliten in Ausnahmef¨allen nur eine Antenne sowohl f u¨ r Empfangen und Senden verwendet. Man spart dabei Kosten und Masse der zweiten Antenne und bezahlt daf u¨ r mit den Kosten und der Masse eines Duplexers (engl. Diplexer), der Sende- und Empfangssignal separiert: ein typischerweise mit circa −168 dBW ankommendes Empfangssignal muss vor dem bis zu 22 dBW starken Sendesignal gesch¨utzt werden – ein Gradient von 180 dB. Ein weiteres Problem mit der Einzelantenne ist, dass das Empfangssignal nicht sofort auf den rauscharmenVorverst¨arker (Low Noise Receiver; LNA) trifft,sondern auf den Diplexer,so dass die resultierende Rauschtemperatur des Empf¨angers deutlich h¨ohere Werte annimmt. Dieser Effekt ist aber beim Satellitenempfang weniger nachteilhaft als bei terrestrischen Terminals, da der Satellit in jedem Fall 290◦K Erdrauschens empf¨angt, so dass die Rauschtemperatur des Diplexers weniger zu Buche schl¨agt als bei Erdfunkstellen. Der Einzelantennentransponder ist in Abb. 5.33 gezeigt. Die Zuschaltung (Zuweisung) dieses Transponders auf je eine Sende- und Empfangsantenne ist fest und kann nicht im Orbit ge¨andert werden.

5.7.2 Transparente Transponder fester Bandbreite, dualer Zuweisung Die Architektur dieses Transponders ist nahezu identisch zum vorangegangenen, der Transponderausgang wird jedoch mit einem Leistungsteiler (Power Divider) auf zwei oder mehr Antennen verteilt,eine„Arme-Leute-L¨osung“ (Poor Man’s On Board Processor) anstatt einer bordseitigen Vermittlung mit dynamisch lastabh¨angig einstellbaren Partialleistungen. Drchsatzbegrenzend w¨aren fest eingestellte, vom Boden aus nicht ver¨anderbare Leistungsaufteilungen.

5.7 Zusammenfassung der Arten von Transpondern

187

5.7.3 Transparente Transponder fester Bandbreite, bedarfsangepasster Frequenz Der Betrieb von Satellitentransponder im UHF-Bereich (z.B. 290–320 MHz Uplink, 240–270 MHz Downlink,die nicht fu¨ r Satellitenkommunikation zugelassen sind) ist derart von den legalen Nutzern dieses Bandes belegt (gest¨ort), das man gezwungen ist, das Spektrum zu beobachten und den Transponder in ein „Tief“ der St¨orung zu legen, wenn sich ein solches auftut. Dazu wobbelt man den Transponder (Tunable ¨ Transponder) in das „Tief“. Uber Network Control werden die Nutzer u¨ ber die aktuelle Frequenz des Wobbeltransponders informiert. 5.7.4 Transparente Transponder bedarfsangepasster Bandbreite Dieser Transponder ist identisch zum transparenten Transponder ausser dass die Transponderbandbreite, vom Boden aus gesteuert, dem aktuellen Bedarf dynamisch angepasst werden kann, mit digitalen Filtern im Transponder (Stand-der¨ Technik Systemflexibilit¨at): dem Transponder, der einen Uberbedarf hat, wird Bandbreite gegeben, zu Lasten jener Transponder, bei denen Bandbreite brach liegt. Mit multi-modalen TWT-Verst¨arkern kann auch die Leistung der ge¨anderten Bandbreite angepasst werden. 5.7.5 Die bordseitige Bu ndelung Die Glieder dieses Transponders sind bis auf den SkyPlexer dieselben wie die in den vorangegangenen Kapiteln. Im SkyPlexer werden die TDMA-Tr¨ager demoduliert und im Basisband zu einem TDM-Tr¨ager geb¨undelt und remoduliert. Die typische Anwendung ist, mehrere Uplinks von dislozierten Studios bzw. deren Speisestationen zu einem TDM-Strom (s. Kap. 6) zusammen zu f u¨ gen. So k¨onnen zum Beispiel H¨orfunkprogramme aus weit verteilten europ¨aischen L¨andern im Satelliten per TDMA (s. Kap. 6) inkoh¨arent empfangen werden und im SkyPlexer im Satelliten zu einem koh¨arenten TDM Bitstrom zusammen gef u¨ hrt werden.Dieser kontinuierliche Datenstrom kann im Radio ungleich einfacher empfangen werden, als es der TDMA-Tr¨ager k¨onnte, den zu empfangen hundert mal pro Sekunde (1) die Tr¨agerfrequenz akquiriert, (2) die Tr¨agerphase angekoppellt, (3) der Bitstrom synchronisiert und (4) der Rahmentakt (UniqueWord) gefunden werden muss. 5.7.6 Der bordseitige Vermittler Auch hier sind die Glieder im Satellitenumsetzer – bis auf den bordseitigen Vermittler – die gleichen wie in den vorangegangenen Kapiteln. Dem Vermittler werden die demodulierten Uplink-Signale eingespeist, so dass er ihre Adresse lesen und sie entsprechend auf das Downlink vermitteln kann. Diese bordseitige Vermittlung ist dann angesagt, wenn mehrere Zellen am Boden nicht nur mit Intra-Zellen- sondern auch Inter-Zellenverkehr bedient werden

188

5 Das Relais im Orbit und die Streckenbilanz

S k y p l e x e r

etc.

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6) (7)

(8)

(9)

(1) Empfangsantenne (4) Demodulator

(2) Low Noise Amplifier (5) OnBoard Processor

(3) Frequenzumsetzer (6) Remodulator

(7) Frequenzumsetzer

(8) High Power Amplifier

(9) Sendeantenne

Abb. 5.34 Der SkyPlexer

OBP

etc.

etc.

(1)

(2)

(3) (4)

(5)

(6) (7)

(8)

(1) Empfangsantenne

(2) Low Noise Amplifier

(3) Frequenzumsetzer

(4) Demodulator

(5) OnBoard Processor, die Vermittlungseinheit

(6) Remodulator

(7) Frequenzumsetzer

(8) High Power Amplifier

Abb. 5.35 Die bordseitige Vermittlung

m¨ussen. F¨ur n Zellen w¨urden hier in konventioneller Architektur n2 Transponder ben¨otigt. Stattdessen vermittelt der eine Vermittlungsprozessor die Signale von jeder beliebigen Zelle in jede andere und auch zur¨uck in die eigene Zelle. Der beidseitige Vermittler ist nicht nur kosteneffektiver als eine grosse Anzahl von Transpondern, er kann Leistung und Bandbreite auch bedarfsangepasst zuteilen, im Gegensatz zu den rigiden Transpondern. Wenn dort kein Verkehr zwischen zwei Zellen ist, liegt die Bandbreite jenes Transponders brach und bleibt seine Leistung ungenutzt und kann auch keinem anderen Transponder zugeteilt werden, der sie aktuell ben¨otigen w¨urde.

5.7 Zusammenfassung der Arten von Transpondern

189

5.7.7 Der regenerative Transponder Mit der zus¨atzlichen Kanal-Decodierung und Re-Codierung wird der Satellitenumsetzer zum regenerativen Transponder – er regeneriert das Signal so gut wie m¨oglich.

OBP

etc.

etc.

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(1) Empfangsantenne

(2) Low Noise Amplifier

(3) Frequenzumsetzer

(4) Demodulator

(5) Decoder

(6) OnBoard Processor

(7) Re-Coder

(8) Remodulator

(9) Frequenzumsetzer

(10) High Power Amplifier

(11) Sendeantenne

Abb. 5.36 Der regenerative Transponder

Diese Regenerierung des Signals im Satelliten ist von begrenzter N¨utzlichkeit, da die meisten Satellitenstrecken asymmetrisch sind. Ist die Aufw¨artsstrecke merklich besser, n¨utzt die Fehlerkorrektur im Satelliten wenig da es wenig zu korrigieren gibt. Ist die Abw¨artsstrecke deutlich besser, k¨onnen die auf der Aufw¨artsstrecke entstandenen Fehler auch nach Empfang am Boden mit gleicher Effizienz, aber einfacher, korrigiert werden. F¨ur den Fall, dass die Qualit¨at von Aufw¨artsstrecke und Abw¨artsstrecke gleich ist, bringt die Korrektur im Satelliten 3 dB Streckenbilanzvorteil. 5.7.8 Zusammenfassung, Transponder Die Wahl der Transponderarchitektur h¨angt vom Dienst ab, der geleistet werden soll. Soll die Erde global und f u¨ r ein geringes Verkehrsaufkommen ausgeleuchtet werden, ist der transparente Transponder fester Bandbreite und auf eine Antenne geschaltet die optimale L¨osung. Ist das erwartete Verkehrsaufkommen hoch und das vorgesehene Frequenzspektrum begrenzt, muss man die Zellularstruktur einsetzen, und hier ist dann die bordseitige Vermittlung unabdingbar – bereits bei f u¨ nf Ausleuchtzonen ist OnBoard-Processing vorteilhaft gegen¨uber n2 = 25 rigiden Transpondern.

190

5 Das Relais im Orbit und die Streckenbilanz Tabelle 5.6 Transponder Data Sheet

Transponder Data Sheet 01 Name des Satelliten 02 Name des Satellitenbetreibers 03 Orbitalposition des Satelliten in ◦ O- bzw. ◦ W-L¨ange 04 EIRP des Satelliten (in dBW, als Funktion des Ortes; typischerweise werden die 0 dB, −2 dB, −4 dB, −6 dB, −10 dB und −20 dB-Konturen gezeigt) 05 Typical Operating Point: dB Input Backoff / dB Output Backoff 06 G-T des Satelliten (in dBi/K, als Funktion des Ortes; typischerweise werden die 0 dB, −2 dB, −4 dB, −6 dB, −10 dB und −20 dB-Konturen gezeigt) 07 S¨attigungsflussdichte Ws des Satelliten (dBW/m2 , als Funktion des Ortes; typischerweise werden die 0 dB, −2 dB, −4 dB, −6 dB, −10 dB und −20 dB-Konturen gezeigt) 08 Transpondergewinn (Gain Setting), typischerweise ein Bereich von ≈ 20 dB in 1 dBSchritten 09 Transponderkennlinie (Transfer Characteristic, Output / Input BO,Amplitude und Phase) 10 Satelliten-AM/PM-Konversion (in ◦ /dB) 11 Transpondergruppenlaufzeit (Group Delay, in ns) 12 Polarization: right hand circular, left hand circular, vertical, horizontal, Uplink, Downlink 13 Transponderkreuzpolarisationsentkopplung (in dB, Uplink und Downlink) 14 Transponderbelegung (Frequency Plan, Tr¨agermittenfrequenzen, -leistung und -bandbreiten aller Tr¨ager im Transponder) 15 Transponder usable Bandwidth (in MHz) 16 Transponderkosten (als Funktion des Mietarrangements, per hour, per MHZ, per day, per month, per annum, „Occasional Use“, „Short Term Use“, „Medium Term Use“, „Long Term Use“), Bandwidth Cost per hour, per MHz 17 Relevant Comments

 5.7.9 Optische Ubertragungsstrecken { Laser-Links ¨ ¨ Die elektromagnetische Ubertragung st¨osst an die Grenzen ihrer Ubertragungskapazit¨at, das Spektrum von 9 kHz bis ein paar hundert GHz. Die Anforderungen an ¨ die Ubertragung wachsen mit den immer breitbandigeren Diensten, insbesondere auch in den mobilen Anwendungen, aber auch mit den exponentiell wachsenden Leistungen der Prozessoren und Rechner, die zunehmend die Quellen und Senken ¨ der Ubertragung sind. In den h¨oheren Frequenzlagen des elektromagnetischen Spektrums sind immer gr¨ossere Bandbreiten verf u¨ gbar; die Ausbreitung bei diesen Frequenzen stellt aber auch immer gr¨ossere Anforderungen an die Sendeleistung, an die Definition der ¨ Signalverf u¨ gbarkeit, an die Ubertragungsprotokolle und an Diversit¨atskonzepte. Vor diesem Hintergrund ist es ein kleiner Schritt von der elektromagnetischen ¨ ¨ zur optischen Ubertragung; dort sind noch gr¨ossere Ubertragungsbandbreiten ¨ m¨oglich, die Technik ist verf u¨ gbar, die Ubertragung in der Atmosph¨are ist aber noch ausbreitungs- und insbesondere wetterabh¨angiger.

5.7 Zusammenfassung der Arten von Transpondern

191

6 ¨ Wichtig ist an dieser Stelle, dass die Laser-Ubertragung im Vergleich zur elek¨ tromagnetischen Ubertragung u¨ ber 100 GHz kaum mehr Regend¨ampfung unterliegt (s. Abb. 5.9, Zusatzd¨ampfung in dB/km von 10 GHz bis 1000 THz). Es ist nicht aufwendiger, in diesen Frequenzlagen Laser einzusetzen. Man darf sich die Verf u¨ gbarkeit der Laser Space-to-Earth Strecke vorstellen wie den Empfang von Sonnenlicht in terrestrischen Solaranlagen, wo ein angeschlossenes Voltmeter die aktuelle Leistung anzeigt, selbst noch bei bedecktem Himmel und sogar bei leichtem Nieselregen. ¨ ¨ Ahnlich dringt auch die Laser-Ubertragung durch die Atmosph¨are (obwohl der Vergleich hinkt, da die Sonne, als extrem breitbandiger Strahler, durch Vielfachstreuung bei Starkregen, Nebel oder Schnee immer noch mit einer Reststrahlung durchkommt, ein Laser dagegen, eine monochromatische Lichtquelle, vergleichsweise leichter ged¨ampft werden kann). ¨ Die Leistungsreserven bzw. ausfallsicheren Ubertragungsprotokolle der Laser¨ ¨ Ubertragung sind nicht verschieden von denen der elektromagnetischen Ubertra¨ gung bei u¨ ber 100 GHz. Ausserdem wird bei der optischen Ubertragung zwischen zwei Antennen (dem Sende- und Empfangs-Teleskop) die h¨ohere Funkfelddispersion durch den h¨oheren Gewinnfaktor einer der beiden Antennen kompensiert, so dass der h¨ohere Gewinnfaktor der zweiten Antenne f u¨ r die wetterbedingte Verf u¨ gbarkeit eingerechnet werden kann. Schliesslich bewirkt die h¨ohere Direktivit¨at der optischen Antennen (Teleskope) Abh¨orschutz (der Lauscher m¨usste mit dem Empfangsteleskop koloziert sein, um den Beam zu empfangen), und sie bewirkt ausserdem weniger Inter-SystemSt¨orung (Beeintr¨achtigungen benachbarter Satelliten) und damit eine engere Belegung der orbitalen Bahn. Es gibt verschiedene Kategorien von optischen Satellitenstrecken:

(1) (2) (3) (4)

Verbindungen zwischen Satelliten in der geostation¨aren Bahn Verbindungen zwischen Satelliten in gleichen, erdnahen Bahnen Verbindungen zwischen Satelliten in unterschiedlichen Bahnen Verbindungen zwischen Satelliten und Flugzeugen und unbemannten Flugk¨orpern (5) Verbindungen von Satelliten zu Stationen auf der Erde. Bei Inter-Satelliten-Links (ISL) ist die Wetterabh¨angigkeit nicht gegeben; hier kamen Laser-Links schon vor 30 Jahren erstmals zum Einsatz7 . Laser-Links „Erde-Satellit/Satellit-Erde“ sind in den letzten Jahren parallel zu, aber weitgehend unabh¨angig von den terrestrischen Anwendungen der Laser¨ Ubertragungstechnik (Short Range Laser Links; Laser Range Finders auf der Erde und des weiteren auch zur exakten Bahnvermessung von Satelliten und zur GeoidAnomalie-Detektion etc.) entwickelt worden. 6

7

LASER = Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (Lichtverst¨arkung durch stimulierten Ausstoss von Strahlung), ein Akronym; heute auch im Deutschen soweit eingef¨uhrt, dass es als Vokabel geschrieben werden kann LES-8/LES-9 Optical Crosslinks, USAF/Lincoln Laboratories, USA, 1976

192

5 Das Relais im Orbit und die Streckenbilanz

Tabelle 5.7 Vergleich zwischen optischen- und Mikrowellenstrecken, Orbit-zu-Orbit 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Abw¨artsstrecke;  Funkfelddispersion, 70 000 km Regend¨ampfung Gewinn, Sendeantenne, 1 m  Gewinn, Empf.antenne, 1 m  (3) + (4) − (2) − (1) Sendeleistung z.B. Prim¨arleistung Empf¨angertemperatur Empf¨angerg¨ute C-N o, avail Ger¨atemasse (ohne Antenne)

100 GHz 3 mm 224,5 dB 0 dB 58,0 dBi 58,0 dBi −108,6 dB 0,1 W 1,0 W 28,5 dBK 29,5 dBi/K 91,6 dBHz ≈ 20 kg

375 THz 0,8 ‹m 296,0 dB 0 dB 129,5 dBi 129,5 dBi −37,0 dB 1,0 ‹W 0,1 mW 40,0 dB 89,5 dBi/K 91,6 dBHz ≈ 20 kg

(3 mm/0,8 ‹m10 71,5 dB mehr – 71,5 dB mehr 71,5 dB mehr 71,5 dB mehr 50,0 dB weniger 40,0 dB weniger 11,5 dB mehr 60,0 dB mehr – –

Verbindungen zwischen Satelliten Mit der verf u¨ gbaren Technik werden seit langem Verbindungen zwischen Satelliten mit Laser-Links hergestellt (Optical Inter Satellite Links; OISLs8 ). Es werden geostation¨are Satelliten eines Betreibers verbunden, zunehmend aber auch umlaufende Satelliten (Spot-IV etc.) mit geostation¨aren Satelliten (z.B. ARTEMIS), um die Information, die die umlaufenden Satelliten gewinnen, an ortsfeste Bodenstationen zur Erde zu u¨ bermitteln. Die Laser-Links ben¨otigen weniger Masse der Ger¨ate an Bord, weniger elek¨ trische Leistung und bieten h¨ohere Ubertragungsraten. Deshalb werden in den globalen, multimedialen Satellitensystemen zunehmend die Satelliten einer Konstellation u¨ ber Optical Inter Satellite Links verbunden. Der Unterschied zwischen optischer Strecke und Mikrowellenstrecke ist in ¨ ¨ Tabelle 5.7 am Beispiel einer 100 GHz Ubertragung und Ubertragungen mit 0,8 ‹m (375 THz; Orbit-zu-Orbit) und in Tabelle 5.8 am Beispiel einer 100 GHz ¨ ¨ Ubertragung und Ubertragungen mit 1,5 ‹m (200 THz; Orbit-zur-Erde) LaserTechnologie grob zusammengefasst. Die Tabellen geben keine exakte Streckenbilanz wieder sondern zeigen nur die Gr¨ossenordnungen der Systemparameter der elektromagnetischen beziehungswei¨ se optischen Ubertragung einer Strecke GEO-Erde. 8 Vergleiche das Semiconductor Intersatellite Link EXperiment (SILEX) der ESA; die Laser Communications Terminals (LCT) auf TerraSAR-X (EU), MILSTAR (USA) etc. 10 Der Unterschied zwischen 100 GHz ( = 3 mm) und 0,8 ‹m LASER 11 Der Unterschied zwischen 100 GHz ( = 3 mm) und 1,5 ‹m LASER 12 Die Marge f¨ur eine gegebene Verf¨ugbarkeit in Ausfallszeit pro Monat im schlechtesten Monat der Jahres 13 Der Empf¨anger auf der Erde wird beregnet 14 Die Empfangsantenne auf der Erde schaut – im schlimmsten Fall – in die 5800 K heisse Sonne

5.7 Zusammenfassung der Arten von Transpondern

193

Tabelle 5.8 Vergleich zwischen optischen- und Mikrowellenstrecken, GEO-zur-Erde 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Abw¨artsstrecke;  Funkfelddispersion, 40 000 km Regend¨ampfung Gewinn, Sendeantenne, 1 m  Gewinn, Empf.antenne, 3 m  (3) + (4) − (2) − (1) Sendeleistung z.B. Prim¨arleistung Empf¨angertemperatur Empf¨angerg¨ute C-N o, avail Ger¨atemasse (ohne Antenne) ca.

100 GHz 3 mm 224,5 dB 60 dB12 58,0 dBi 68,0 dBi −158,5dB 18,4 dBW 200 W 28,5 dBK13 39,5 dBi/K 60 dBHz ≈ 20 kg

200 THz 1,5 ‹m 290,5 dB 90 dB 124,0 dBi 134,0 dBi −122,5 dB 10 W > 40 W 24,8 dBK14 109,2 dBi/K 91,3 dBHz ≈ 40 kg

(3 mm/1,5 ‹m)11 66 dB mehr 30 dB mehr 66 dB mehr 66 dB mehr 36 dB mehr 8,5 dB weniger 7,0 dB weniger – 70 dB mehr 31,3 dB mehr –

W¨ahrend die elektromagnetische Strecke mit den gezeigten Systemparametern maximal 1 Mb/s transportiert, k¨onnen optisch – mit 7 dB weniger Leistung im Satelliten – 1 Gb/s pro Link u¨ bertragen werden. Verbindungen Flugko rper-zu-Satellit Es werden auch Verbindungen zu Flugk¨orpern betrieben. Insbesondere Erderkundungs/Erdbeobachtungs/Aufkl¨arungsfl¨ugk¨orper (Unmanned Aerial Vehicles; UAVs), die hohe Datenraten generieren und u¨ ber grosse geographische Bereiche operieren, so dass sie nur u¨ ber Satellit st¨andige Verbindung aufrechterhalten k¨onnen, setzen effizient u¨ ber Laser-Links ihre Bilddaten zum Beispiel an geostation¨are Satelliten ab. ¨ Diese Ubertragungsstrecken sind unabh¨angig von den Unwirren der Atmosph¨are; diese UAVs fliegen, im Gegensatz zu erdnahen Drohnen, u¨ ber den Wolken. Die Datenraten von dem Predator-UAV15 zum Satelliten sind beispielsweise 44,7 Mb/s, vom GlobalHawk/EuroHawk mit seinen HDTV, SAR und IR Sensoren, sind es, in Summe, 548 Mb/s (etwa E5 Standard), ein Datenstrom, der nicht einfach u¨ ber elektromagnetische Strecken u¨ bertragen werden kann. Verbindungen Satellit-Erde Allgemeine Satelliten¨ubertragungen, ganz speziell aber Datenstr¨ome, die von Erderkundungssatelliten und Aufkl¨arungsdrohnen u¨ ber Satellit u¨ bertragen werden, werden bandbreitenbedingt u¨ ber Optical Satellite Links, OSL, zu Erdfunkstellen u¨ bermittelt. Diese optischen Links von Satelliten zur Erde werden – trotz der Ausf¨alle durch Wolken und Regen – eingesetzt, und sie werden in Zukunft (wegen der eingangs 15

UAV = Unmanned Aereal Vehicels, unbemannte Flugk¨orper

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5 Das Relais im Orbit und die Streckenbilanz

¨ genannten Gr¨unde) auch zunehmend in der Weise, wie die Ubertragungsvolumina weiter ansteigen, kommerzielle Verwendung finden16. Mit Satelliten wie GeoLITE17 , NFIRE18 , Artemis19 und ETC-VI20 sind g¨angige ¨ Ubertragungsraten von OISLs von 5,0 bis 50 Gb/s im aktiven Betrieb, Stand der Technik-Ger¨ate ist 16 Downlinks. Zum Vergleich, ein g¨angiger Mikrowellen-Satellit mit 500 MHz an Bandbreite ist oben begrenzt bei 1,0 Gb/s. Ein einziges Laser-Link ¨ mit 50 Gb/s bedient also die Ubertragungsleistung von 50 Mikrowellen-Satelliten. ¨ Ein Satellit mit 16 Laser-Links hat die Ubertragungskapazit¨ at von 800 MikrowellenSatelliten - das ist die gesamte Satellitenkapazit¨at des geostation¨aren Erdg¨urtels. In die Sonne gerichtete Laser-Links Verbindungen zwischen Satelliten oder anderer Sender, deren Sichtachse zeitweise in die Sonne schaut,werden bei kleinen Wellenl¨angen der Laser gest¨ort; Empf¨anger, die mit Wellenl¨angen bei 1,5 ‹ arbeiten, k¨onnen jedoch der Einstrahlung der Sonne widerstehen – der Betrieb kann aufrecht erhalten werden. G¨angige koh¨arente Empf¨anger mit Superposition (Coherent Detection/Superpositioning Method; CD/SM, zum Beispiel QPSK Modulation) werden (im Gegensatz zu der Intensity Modulation/Direct Detection; IM/DT der Anfangsjahre der Laser Technik) vom Sonnenrauschen nicht beeintr¨achtigt, selbst wenn sie direkt in die Sonne schauen. Das zeichnet sie insbesondere gegen¨uber der elektromagne¨ tischen Ubertragung aus, die die Sonneneinstrahlung vermeiden muss: zweimal ¨ j¨ahrlich, zur Zeit der Aquinoktien, m¨ussen Mikrowellenerdfunkstellen ihren Betrieb f u¨ r ca. einige Stunden (je kleiner der Antennendurchmesser, desto l¨anger) u¨ ber mehrere Tage hinweg abschalten, ausser Betrieb nehmen und den Verkehr u¨ ber hinreichend entfernte Partner-Stationen terrestrisch umleiten. Fallbeispiel: Es sollen 20 Mbit/s von einem geostation¨aren Satelliten zu einem anderen Satelliten im geostation¨aren Orbit mit einer Stand-der-Technik optischen Realisierung dargestellt werden. Die Strecke im Orbit ist 45 000 km lang. Das ben¨otigte C-N o, req f u¨ r QPSK (BER = 10−5) mit 3 dB ImplementierungsMarge IM und 8 dB Code-Gewinn CG ist C-N o, req = Eb − No + Bitrate + IM − CG = 9,6 dB + 73,0 dB/s + 2,5 − 8 dB = 77,1 dBHz C-N o, avail = Ptransmit + Gtransmit − PL + G-T − K. ¨ ¨ Die Ubertragungen zu Stationen in New Mexico, Hawaii, die Ubertragung grosser Datenvolumina des franz¨osischen Erdbeobachtungssatelliten SPOT-4 zu einer Empfangsstation bei Ouagadougou, der Hauptstadt Burkina Fasos in der s¨udlichen Sahara, alles Regionen extensiven Sonnenscheins 17 GEOsynchroneous LIghtweight Technology Experiment; National Reconaissnace Office, USA 18 Near Field Infra-Red Experiment; Missile Defence Agency, USA 19 Advanced Relay and TEchnology MISsion, ESA, EU 20 Engineering Test Satellite VI, Communications Research Laboratory, Japan 16

5.7 Zusammenfassung der Arten von Transpondern

195

Die Sendeleistung bei  ca. 800 nm (f = 375 THz) sei −10 dBW, die Funkfelddispersion 303 dB, Sende- und Empfangsantennengewinn je ca. 100,2 dBi (30 cm Spiegel), die Systemrauschtemperatur = 300 K und die Empfangsrauschtemperatur t f u¨ r heisse Sonne: t = 300 K + 5900 K (Empf¨anger schaut schlimmstenfalls voll in die Sonne)

kaltes All: t = 300 K + 4 K (Empf¨anger schaut bestenfalls in den kalten Weltraum)

G-T = 100,2 dBi − 40,0 dBK = 62,2 dBi/K

G-T = 100,2 dBi − 26,8 dBK = 73,4 dBi/K

C-N o, avail = −10 dBW + 100,2 dBi - 303 dB + 62,2 dBi/K + 228,6 dBJ/K = 77,0 dBHz

C-N o, avail = −10 dBW + 100,2 dBi - 303 dB + 73,4 dBi/K + 228,6 dBJ/K = 89,2 dBHz.

Die Strecke arbeitet selbst mit der in die Sonne gerichteten Empfangsantenne mit positiver Reserve. W¨ahrend die Antenne in den kalten Weltraum schaut, k¨onnen 12,2 dB mehr u¨ bertragen werden, also ca. 332 Mbit/s. Ein Modus Operandi k¨onnte sein, E5 als nominellen Service anzubieten und in den kurzen, vorhersehbaren Zeitspannen, w¨ahrend derer das Link in die Sonne ¨ schaut,die Ubertragungsbitrate geplant operativ zu reduzieren oder gegebenenfalls per Umleitung (Via-Routing) einen Teil des Verkehrs w¨ahrend der „Sonnen-Zeit“ auf einen anderen Weg von A nach B f u¨ hren. ¨ Elektromagnetische Ubertragungen k¨onnen – im Vergleich dazu – prinzipiell nicht in die Sonne gerichtet betrieben werden. ¨ Uber k¨urzere Strecken k¨onnen bei gleichen Sende- und Empfangsparametern ungleich h¨ohere Bitraten transportiert werden: u¨ ber 15 000 km Entfernung z.B. (45 000/15 000)2 155 Mbit/s ∼ = 1,5 Gbit/s. Ausserdem sind heute OISL-Dioden-Arrays mit bis zu 10 W Sendeleistung (+10 dBW) verf u¨ gbar, die, relativ zu den oben angenommenen −10 dBW, um 20 dB (ein Faktor 100) h¨ohere Raten u¨ bertragen k¨onnen (150 GB/s statt 1,5 GB/s). Zusammenfassung Laser-Links Es ist heute kaum mehr m¨oglich, einen Satelliten in der geostation¨aren Umlaufbahn im Spektrum unter 100 GHz zu koordinieren und zugelassen zu bekommen. Mit der Verf u¨ gbarkeit einerseits von 50 Gb/s Laser-Links mit m¨assigen Anforderungen an elektrischer Leistung und Ger¨atemasse und andererseits der Verf u¨ gbarkeit terrestrischer Infrastruktur, die vielf¨altige M¨oglichkeiten des geographischen Diversit¨atsbetriebs bietet, ist die Zukunft der fl¨achendeckenden Breit¨ bandkommunikation vorgezeichnet: satellitengest¨utzte Laser-Ubertragung bis hin zur Individualkommunikation. Zudem k¨onnen moderne, koh¨arente Laser-Links mit Optical Superposition die Kommunikation auch wenn in der Sichtachse in die Sonne gerichtet, aufrecht¨ erhalten, was elektromagnetische Ubertragungsstrecken nicht k¨onnen; sie gehen ¨ zweimal j¨ahrlich, in den Aquinoktien, ausser Betrieb. ¨ Die in den Fallbeispielen aufgezeigten Ubersichten von Systemdaten gelten in erster N¨aherung auf Systemebene; nat¨urlich m¨ussen in einer rigorosen Abhandlung ¨ der optischen Ubertragung verschiedene Sekund¨araspekte ber¨ucksichtigt und eingearbeitet werden. Zu diesen geh¨oren die Ausrichtgenauigkeit der optischen An-

196

5 Das Relais im Orbit und die Streckenbilanz

tennen (die optische Phased Array Antenna, die auch Instabilit¨aten der Plattform elektronisch und ohne mechanisch bewegliche Teile kompensiert) und die atmo¨ sph¨arische D¨ampfung der optischen Ubertragung bei Orbit-Erde Links etc. Die Systembetrachtungen zeigen jedoch unzweideutig, dass OISL um Gr¨ossenordungen geeigneter als Mikrowellenintersatellitenverbindungen sind und dass Laser-Links Orbit-Erde machbar sind und um Gr¨ossenordnungen h¨ohere Bitraten u¨ bertragen k¨onnen. Zudem lassen sich die Satelliten auf Grund der sehr viel h¨oheren Direktivit¨at der optischen Antennen enger im Orbit anordnen, sie erh¨ohen also die Kapazit¨at der Umlaufbahn.

5.8 Zusammenfassung Eine positive Leistungsbilanz ist Voraussetzung f u¨ r eine zuverl¨assige Strecke. Das ¨ Soll der Ubertragung muss durch das Haben der Strecke gedeckt sein und eine hinreichende Reserve (Link Margin) beinhalten. Das Soll ergibt sich aus der Diensteanforderung, das Haben fusst auf den Systemparametern. Relevant f u¨ r die Leistungsbilanz ist nicht die Empfangsleistung, sondern das ¨ Verh¨altnis der Empfangsleistung zum Rauschen C-N. Ubertragungsparameter (insb. die Verf u¨ gbarkeit) m¨ussen sinnvoll angesetzt werden. Null Bit-Fehler und 100% Verf u¨ gbarkeit gibt es nicht. Die Steigerung von 99,90% auf 99,99% Verfu¨ gbarkeit kostet eine Gr¨ossenordnung an Satellitenleistung; statt mit Leistung wird sie besser mit Kommunikationsprotokollen erbracht. Die Streckenbilanz sollte aber auch nicht zu knapp bemessen werden. Die Empf¨angerg¨ute leidet bei Regen nicht nur unter Signald¨ampfung sondern auch Rauscherh¨ohung. Die „wenn’s draussen regnet, drinnen schneits“-Bildqualit¨at l¨asst sich schlecht „verkaufen“. Broadcast muss mindestens 98,5 bis 99,0% der Zeit verf u¨ gbar sein. VSAT-Netze mit weniger als 99,9% Verf u¨ gbarkeit bringen den Satelliten in Verruf und treiben die Nutzer zum Kabel. Frequenzmodulation ist bei INTELSAT und INTERSPUTNIK noch weit verbreitet. Die moderne Gesch¨aftskommunikation und der Broadcast sind heute digital. Die Transponderintermodulation ist ein wesentliches Element im Mehrtr¨agerbetrieb – nicht zu vergessen bei der Bilanzierung - auch digitaler Tr¨ager. Digitale Modulation ist Stand der Technik; QPSK und 8PSK sind weit verbreitet. Die 16QAM ben¨otigt noch weniger Bandbreite bei etwa der gleichen Leistung und beginnt daher Fuss zu fassen. Trotz mit Frequenz exponentiell steigendem Pathloss geht die Entwicklung zum 50 GHz-Band, weil die unteren B¨ander belegt sind. Der optische Bereich wird f u¨ r ¨ die Ubertragung von Intersatellitenstrecken seit dreissig Jahren genutzt und wird zurzeit f u¨ r Verbindungen Satellit/Erde eingesetzt, auch f u¨ r Strecken von geostation¨aren Satelliten zur Erde. Die adaptive Regelung der Uplink-Sendeleistung zur Kompensierung von Upund Downlink-Regend¨ampfung ist unabdingbar zur effektiven Nutzung des Satelliten.

Literaturhinweise

197

Literaturhinweise Dodel, Hans, und Eberle, Sabrina,„Satellitenkommunikation – Verfahren, Anwendungen, die Wirtschaftlichkeit“; Lehrgang DK2.08 der CCG, zweimal j¨ahrlich, Oberpfaffenhofen bei M¨unchen Herter, E. und Rupp, H.,„Nachrichten¨ubertragung u¨ ber Satelliten“, Springer, Berlin, 1995 Fenech, H., Kasstan, B., Lindley, A., De Maagt, P., and Badessi, S., G-T Predictions of Communication Satellites Based on a New Earth Brightness Model, International Journal of Satellite Communications, John Wiley & Sons, Vol. 13, p. 367, 1995 Isaac I. Kim et al, „Wireless Opticl Transmission of Fast Ethernet, FDDI, ATM, and ESCON Protocol Date Using the TerraLink Laser Communications System“; www. freespaceoptic.com/WhitePapers/Wireless Transmission of Fast Ethernet.pdf Isaac I. Kim et al, „Comparison of Laser Beam Propagation at 785 nm and 1550 nm in Fog and Haze for Optical Wireless Communications“; www.freespaceoptic.com/WhitePapers/Comparison of Laser Beam in Fog.pdf http://esapub.esrin.esa.it/bulletin/bullet91/b91lutz.htm Berlin, Peter,„The Geostationary Applications Satellites“; Cambridge University Press, Cambridge, 1988 Gagliardi, Robert M.,„Satellite Communications“, Van Nostrand, New York, 1983 Hering, E., Schr¨oder, B.,„Springer Ingenieur Tabellen“, Springer, 2004 Voges, E., Petermann, K.,„Optische Kommunikationstechnik“, Springer, 2002

6 Vielfachzugriff, Erstzugriff, Protokolle

„Wie k¨onnen Viele auf dieselbe Ressource zugreifen?“ ¨ Ein Ubertragungskanal kann einem Teilnehmer 24 Stunden pro Tag, 365 Tage im Jahr zugeteilt werden, wenn er ihn durchgehend ben¨otigt; im Regelfall ben¨otigt er ihn aber nur zeitweise, jeweils f u¨ r eine kurze Dauer. Im Folgenden wird dieser bedarfsabh¨angige Zugriff von Vielen auf die Ressource Satellit behandelt:

Abb. 6.1 Vielfachzugriff von m Teilnehmern T1 ,T2 , . . . Tm auf einen Satelliten

6.1 Der Vielfachzugriff Der Zugriff mehrerer Nutzer auf dieselbe Ressource – denken wir an den einen Brunnen im Mittelalter, aus dem das Dorf Wasser holt, das Backh¨auschen, in dem alle ihr Brot backen etc. braucht eine Zugriffsregelung. Drei nahe liegende M¨oglichkeiten sind

200

6 Vielfachzugriff, Erstzugriff, Protokolle

(1) die sequentielle Abwicklung, einer nach dem anderen; jeder Teilnehmer hat f u¨ r eine kurze Zeit den exklusiven Zugriff auf die Ressource; (2) das Nebeneinander; mehrere Teilnehmer gleichzeitig, solange die Ressource reicht; (3) wenn in dem Dorf im Mittelalter gemeines Volk in Niederdeutsch, die Herrschaft in Hochdeutsch und die Gebildeten in Latein reden, k¨onnen die Unterhaltungen zeitgleich erfolgen, da die einen die „Codes“ der anderen nicht verstehen und sich deshalb auch nicht st¨oren. ¨ In dieser Diskussion ist die Ressource der Satellitenkanal f u¨ r die Ubertragung von Information zwischen Teilnehmern. Wenn sich mehrere Teilnehmer eine Frequenz im zeitlichen Nacheinander teilen, ist das Zeitvielfachzugriff (Time Division Multi¨ ple Access, TDMA). Solange die Ubertragungen zeitlich begrenzt sind – ein Telefon ist durchschnittlich nur etwa 10% der Zeit aktiv – k¨onnen f u¨ r den Rest der Zeit andere Teilnehmer den Kanal benutzen. ¨ Wenn ein Ubertragungskanal bzw. eine Funkfrequenz ganzzeitig von einem Teilnehmer beansprucht wird, m¨ussen weitere Teilnehmer auf andere Kan¨ale ausweichen. Jeder Teilnehmer kann auf seiner Frequenz 100% der Zeit arbeiten. Das ist Frequenzvielfachzugriff (Frequency Division Multiple Access, FDMA). ¨ Die dritte M¨oglichkeit des gleichzeitigen Zugriffes auf den Ubertragungskanal liegt in der Codierung: Man codiert die Signale so, dass verschieden codier¨ te Ubertragungen gleichzeitig und auf derselben Frequenz durchgef u¨ hrt werden k¨onnen – sie werden empfangsseitig auf Grund der Codes wieder separiert werden; das ist der Codevielfachzugriff (Code Division Multiple Access, CDMA). Schliesslich ist es m¨oglich,die Frequenz oder den Code gleichzeitig in mehreren geographisch separierten Gebieten zu verwenden: Dies ist Raumvielfachzugriff (Space Division Multiple Access, SDMA). Verschiedene Modulationsarten k¨onnen auch gleichzeitig betrieben werden, z.B. in CDMA und FDMA oder CDMA und TDMA etc; dies ist Modulationsvielfachzugriff (Modulation Division Multiple Access). Ein weiterer Vielfachzugriff beruht in der Verwendung der beiden Polarisationen der elektromagnetischen Wellen. Man u¨ bertr¨agt zwei Signale in den beiden orthogonalen Polarisationen auf der gleichen Frequenz gleichzeitig und erreicht dadurch eine Verdoppelung des Frequenzbandes (Polarisation Reuse), solange die beiden Polarisationen ger¨atetechnisch hinreichend entkoppelt sind. 6.1.1 Der Vielfachzugriff im Zeitbereich ¨ Bei Time Division Multiple Access (TDMA) ist der Ubertragungskanal mehreren Teilnehmern zug¨anglich, einer nach dem anderen. Die Information wird in kurze B¨undel (Bursts) zeitkomprimiert und zu den den Teilnehmern zugewiesenen Zeiten (Time Slots) abgesetzt (s. Abb. 6.2). Die Time Slots, in einem Rahmen angeordnet, sind in der Regel gleich lang und haben einen festen Platz im Rahmen. Zur Kollisionsvermeidung besteht ein Schutzabstand zwischen den Zeitschlitzen,proportional zum Laufzeitunterschied der geographisch verteilten Sender.Dies ¨ reduziert geringf u¨ gig die Ubertragungskapazit¨ at.

6.1 Der Vielfachzugriff

201

Abb. 6.2 Vielfachzugriff von m Teilnehmern auf einen Satelliten im Zeitbereich t1 ,t2 , . . . tm

Wenn zuk¨unftige Raumsegmente regionale Einzelspots auf die Erde projizieren (z.B. je einen auf Bayern, auf Franken etc.), dann ist der Laufzeitunterschied maximal der zwischen z.B. M¨unchen und N¨urnberg (unter 1 ‹s zum GEO). Damit l¨asst sich ein sehr effizientes TDMA-System realisieren. Je nach der zu u¨ bertragenden Information dimensioniert man die Dauer der Time Slots. Bei Off-Line-Daten¨ubertragungen k¨onnen diese Slots bis zu einigen hundert ms lang sein; bei interaktivem Datenverkehr und insb. bei Sprachverkehr verwendet man Zeitschlitze von wenigen hundert ‹s L¨ange (s. Abb. 6.3).

Abb. 6.3 TDMA-Rahmenauslegung f¨ur Sprach¨ubertragung mit 4 kHz als Oberfrequenz

Die 4 kHz-breite Telefonsprache wird mit der Nyquist-Rate von 8000 Abtastwerten pro s digitalisiert.Die Periode zwischen zwei Abtastwerten ist 1/4 kHz = 125 ‹s – die Grundgr¨osse f u¨ r den Zeit-Rahmen: Jeder Abtastwert wird unmittelbar u¨ bertragen; zum Teil werden auch f u¨ nf (maximal zehn) Abtastwerte geb¨undelt, und so Rahmen von 625 (bis 1 250) ‹s gebildet. In einem TDMA-Rahmen von M Informationsb¨undeln (Bursts; Packets) k¨onnen maximal M Teilnehmer arbeiten. Die TDMA-Bursts sind strukturiert: Teil 1 ist die Tr¨agersynchronisierung, Teil 2 die Bitsynchronisierung, Teil 3 die Rahmensynchronisierung; die Teile 4 und 5 enthalten den Absender und die Adresse des Informationsb¨undels; danach kommen

202

6 Vielfachzugriff, Erstzugriff, Protokolle

Abb. 6.4 Grunds¨atzlicher TDMA-Rahmenaufbau

System Housekeeping, Network Signalling, Operations Control-Data etc., und erst dann die eigentliche Information (Sprache oder Daten; s. Abb. 6.4). TDMA-Systeme unterscheiden sich in der Art, wie Reservierungen durchgef u¨ hrt werden. In einfachen Systemen werden die Zeitschlitze per Buchf u¨ hrung vergeben und wechselnden Verkehrslasten periodisch Rechnung getragen. Moderne TDMA-Systeme erlauben lastabh¨angige, bedarfsorientierte Kapazit¨atszuteilung in Echtzeit (Demand Assignment; DAMA-TDMA; s. Abb. 6.5).

Abb. 6.5 Die Rahmenarchitektur in einem TDMA-System

Begrenzt ist TDMA durch die Sendeleistung des Teilnehmers. Sie ist proportional zur Summenbitrate. F¨ur 6 Mbit/s muss er 30 dB mehr Leistung aufbringen, als f u¨ r 6 kbit/s. Diese hohe Sendeleistung im Handy ist sowohl ger¨atetechnisch als auch aus humanmedizinischen Gr¨unden schwierig. Dem kann entgegengewirkt werden, indem nicht die Summe allenVerkehrs auf einen Tr¨ager moduliert,sondern auf eine grosse Anzahl von Einzeltr¨agern verteilt wird – eine FDMA/TDMA-Hybridl¨osung. 6.1.2 Der Vielfachzugriff in der Frequenz Den Vielfachzugriff in der Frequenz (Frequency Division Multiple Access; FDMA) kennen wir beim Radio: viele Sender (Teilnehmer) arbeiten gleichzeitig auf jeweils eigenen Frequenzen nebeneinander. Dies wird auch im Satellitenfunk (s.Abb. 6.5) – und auf der Glasfaser – verwendet (dort nennt man es Wavelength Division Multiple Access; WDMA1 ). 1

bei DWDM = Dense Wavelength Division Multiplex sind die Frequenzen eng gestuft, bei CWDM = Coarse Wavelength Division sind sie weiter auseinander gestuft

6.1 Der Vielfachzugriff

203

Abb. 6.6 Frequenzvielfachzugriff (FDMA) von m Teilnehmern auf einen Satelliten auf gestuften Tr¨agerfrequenzen f1 ,f2 , . . . fm

Abb. 6.7 Darstellung eines FDMA-Frequenzrasters in einem C-Band-Transponder

Die Frequenzen sind hinreichend separiert,so dass sie sich nicht gegenseitig st¨oren. Dieser Vielfachzugriff in der Frequenz mit je einem „Programm“ (Channel) pro Hochfrequenztr¨ager (Carrier) wird gern in der Gesch¨aftskommunikation angewandt und dort Single Channel per Carrier (SCPC) genannt. Die einzelnen Tr¨agerfrequenzen der Carrier (die Hochfrequenzsignale, die die Information „tragen“), sind in einem Frequenzraster angeordnet. Im Allgemeinen tr¨agt jeder Tr¨ager mehrere Telefonkan¨ale, wie dies auch im Richtfunk gemacht wird (s. Abb. 6.6). 6.1.2.1 SCPC F¨ur Verkehrsstrukturen, in denen eine grosse Anzahl von Erdfunkstellen jeweils nur einen oder sehr wenige Telefonkan¨ale senden, bietet es sich an, diese Kan¨ale auf einzelnen Hochfrequenztr¨agern (Single Channel Per Carrier; SCPC) zu senden. Hier ist dieses Zugriffsverfahren f u¨ r die einzelne Erdfunkstelle kosteng¨unstig, insbesondere f u¨ r Erdfunkstellen mit kleinstem Verkehrsaufwand – es wird kein Multiplex-/Demultiplex-Ger¨at ben¨otigt). Den SCPC sind Satellitenfrequenzen fest zugeordnet. SCPC fu¨ hrt aber auf Grund der grossen Zahl von Tr¨agern im Satellitentransponder und der dabei entstehenden Intermodulation zu einer ineffizienten Ausnutzung des Transponders. Eine Telefonfirma in den USA versuchte ca. 1990 amplitudenkompandierte 4-kHz-Telefonkan¨ale auf 2 kHz zu frequenzkompandieren und mit Single Side

204

6 Vielfachzugriff, Erstzugriff, Protokolle

Band/Suppressed Carrier/Amplitude Modulation/SCPC (SSB/SC/AM/SCPC) 18 000 Sprachkan¨ale in einen 36 MHz Transponder zu packen (anstatt 360 Kan¨ale a´ ¨ 100 kHz, wie sie ISDN 64 kB/s Ubertragungen ben¨otigen w¨urden). Die Nutzerakzeptanz des Systems blieb wegen mangelnder Sprachqualit¨at aus und f u¨ hrte in USA – im Zeitalter der digitalen 64 kbit/s ISDN-Hochqualit¨atskan¨ale2 – zu einem R¨uckgang der Telefonie u¨ ber geostation¨are Satelliten. Die SSB/SC/AM-Gleichung lautet C-N = S − R − 3 dB

(6.1)

und bietet im Vergleich zur Frequenzmodulation (FM) nicht den Modulationsgewinn (siehe FM-Gleichung), also geringere S-R Qualit¨at. Frequenzmodulierte Einzelkanaltr¨ager (FM/SCPC) sind in der Gesch¨aftskommunikation sehr verbreitet und immer dann sinnvoll, wenn ein kleines Netz die Beschaffung einer aktiv-dynamischen Netzkontrolle (Demand Assignment Multiple Access; DAMA) nicht rechtfertigt. 6.1.2.2 SSB/SC/FDM/FM/FDMA In Systemen mit Einseitenbandmodulation mit unterdr¨ucktem Tr¨ager und Frequenzb¨undelung/Frequenzmodulation/Frequenzaufteilungszvielfachzugriff (Single Side-Band, Suppressed Carrier, Frequency Division Multiplexed, Frequency Mo¨ dulation, Frequency Division Multiple Access; SSB/SC/FDM/FM/FDMA)-Ubertragung sind mehrere Telefonkan¨ale pro Tr¨ager als Single-Side-Band-SuppressedCarrier (SSB/SC) im Frequenzmultiplex (Frequency Division Multiplex; FDM) zusammengefasst, auf die Hochfrequenztr¨ager frequenzmoduliert (FM), und die Tr¨ager im Frequency-Division-Multiple-Access (FDMA) in den Satellitentransponder eingebracht (s. Abb. 6.8).

Abb. 6.8 Blockschaltbild f¨ur SSB/FDM/FM/FDMA

Auf der Empfangsseite l¨auft der inverse Vorgang ab: Der Tr¨ager wird aus dem FDMA-Transponder frequenzselektiv ausgefiltert, frequenzdemoduliert, und dann die einzelnen Telefonkan¨ale im Demultiplexer frequenzdemultiplext und die Basisbandtelefonkan¨ale wiedergewonnen. 2

in USA 56 kB/s

6.1 Der Vielfachzugriff

205

6.1.2.3 IMPs & PIMPs { die Intermodulation der Trager im Transponder Die Intermodulationsprodukte in aktiven Elementen nennt man Active Inter Modulation Products; IMPs), die in passiven Elementen heissen entsprechend PIMPs. Gewinnfaktoren von Nachrichtensatelliten liegen bei bis zu 210 dB (−155 dBW Empfang und bis −55 dBW Sendeleistung). Mit je 30 dB Antennengewinn empfangs- und sendeseitig, verst¨arkt der Transponder 150 dB3 . Die Realisierung dieses Gewinns bringt Nichtlinearit¨aten in (aktiven) Leistungsverst¨arkern oder auch in (passiven) Komponenten (den Antennen, aber auch z.B. in metallischen Konnektoren, in denen unterschiedliche Werkstoffe zusammentreffen) mit sich. In den Nichtlinearit¨aten wird bei Mehrtr¨ager¨ubertragung Intermodulation zwischen den Einzeltr¨agern generiert. Diese ist dreifach sch¨adlich: (1) Um die Intermodulation in einem vertr¨aglichen Rahmen zu halten, reduziert man den Arbeitspunkt des Sendeverst¨arkers unter dessen Maximum, verliert also Sendeleistung. (2) Die Intermodulation nimmt dem Wirkbetrieb Leistung weg. (3) Das Intermodulationsrauschen degradiert die Qualit¨at der Wirktr¨ager als zus¨atzlicher Rauschleistung (s.Kap.5.5.1,Abb.5.23,Intermodulationsrauschen gegen Frequenz). 6.1.2.4 MFTDMA, MFCDMA Multi-Frequenz-TDMA (MFTDMA) ist der Betrieb mehrer TDMA Tr¨ager m¨assiger Bitrate in FDMA. Damit halten sich die Endger¨atekosten in Grenzen und man kommt den Systemanforderungen wie z.B. der Anzahl von Tr¨agern pro Spotbeam entgegen. Auch die g¨angigen CDMA Systeme arbeiten mit Multi-Frequenz-CDMA (MFCDMA) mit Einzeltr¨agern m¨assiger Bitrate. 6.1.2.5 Zusammenfassung FDMA Im Frequenzvielfachzugriff (Frequency Division Multiple Access; FDMA) werden Einzeltr¨ager im Frequenzband nebeneinander aufgereiht.Die Einzelsignale k¨onnen dabei beliebig moduliert sein (analog oder digital etc.). FDMA ist das klassische Workhorse in der Satelliten¨ubertragung,hat aber den Nachteil,dass die Einzeltr¨ager im (nicht linearen) Satellitentransponder intermodulieren. Die Intermodulation verursacht einen dreifachen Verlust: Der Transponder im Vieltr¨agerbetrieb muss mit weniger als der vollen Leistung gefahren werden, die Intermodulationsleistung geht den Nutzsignalen verloren und das Intermodulationsrauschen degradiert die Qualit¨at der Nutzsignale. Deshalb geht die Entwicklung zunehmend zu TDMA. Selbst TDMA- und auch CDMA-Tr¨ager werden aber 3

Noch h¨ohere Gewinne w¨aren technologisch m¨oglich, sind aber u¨ bertragungstechnisch nicht praktikabel weil bei dieser enormen Verst¨arkung des Uplinks bereits das Erdrauschen den Transponder in die S¨attigung treibt.

206

6 Vielfachzugriff, Erstzugriff, Protokolle

im Regelfall in FDMA in den Transponder eingebracht; ein einzelner TDMA- oder CDMA-Tr¨ager f u¨ llt also nicht die Bandbreite des Tranponders. 6.1.3 Der Vielfachzugriff mit Codes Eine M¨oglichkeit des gleichzeitigen Zugriffs liegt in der Codierung (Codevielfachzugriff (Code Division Multiple Access; CDMA). Die Signale werden so codiert und dann u¨ berlagert, dass empfangsseitig der dem Partner zugedachte Kanal (und nur ¨ der) von ihm decodiert werden kann,ohne von den anderen Ubertragungen gest¨ort zu werden (obgleich alle auf derselben Funkfrequenz stattfinden; s.Abb. 6.9). Dabei kann der Code – dem Signal (einer Bit-Sequenz) direkt (zum Beispiel Modulo 2) aufmoduliert werden (Direct Sequence; DS), – dem Signal im Frequenzsprungverfahren (frequency hopping) in der Tr¨agerfrequenz moduliert werden, oder auch ¨ – in Abh¨angigkeit von der auf der Ubertragungsstrecke zu erwartenden Dispersion, im Zeitsprungverfahren (time hopping) vorgeformt werden; schliesslich – f u¨ r spezielle Anwendungen im Frequenzchirpverfahren (Chirp-) moduliert werden. Empfangsseitig wird das Summensignal £(t) = £[xi (t)] u¨ ber alle i Signale (auch das gew¨unschte Signal xn (t)), mit dem Code des gew¨unschten Signales korreliert, das Nutzsignal wieder gewonnen und alle anderen Signale abgewiesen: T

+ 2 &

(t)xn (t − )dt =

1 0

− T2

1 f u¨ r das gew¨unschte Signal 0 f u¨ r alle anderen (orthogonalen) Signale.

Abb. 6.9 Codevielfachzugriff (CDMA) von M Teilnehmern auf einen Satelliten

(6.2)

6.1 Der Vielfachzugriff

207

F¨ur die Bit-Dauer T des Nutzsignals l¨auft der Spreizcode durch seine Periode. Die Spreizrate wird Chip Rate genannt; der Spreizcode„h¨ackselt“ das Bit in tausende kleine „Chips“. 6.1.3.1 Die Sequenz-Modulation { PN-CDMA ¨ Ahnlich FDMA werden beim CDMA Einzelsignale u¨ bertragen, hier jedoch alle auf derselben Frequenz. Damit sie empfangsseitig wieder separiert werden k¨onnen, sind sie entsprechend codiert. Das Basisbandsignal wird mit einer Zufallsfolge (Pseudo Noise; PN) zum Beispiel Modulo 2 multipliziert. Die PN-Codes spreizen die Hochfrequenztr¨ager typischerweise um einen Faktor 1 000 000.Damit wird auch um einen Faktor 1 000 000 mehr Hochfrequenzbandbreite ben¨otigt. Die Sendeleistung des Signals verteilt sich auf das wesentlich breitere Frequenzband, wodurch sich die Leistungsdichte (in W/Hz) des u¨ bertragenen Signals auf der Funkstrecke drastisch verringert (s. Abb. 6.10).

Abb. 6.10 Die Bandspreizung mit PN-Folgen

Die PN-Folgen werden auf ihre Auto- und Kreuzkorrelationseigenschaften optimiert, sodass sie eine m¨oglichst scharfe Autokorrelationsspitze und ein so gleichm¨assig wie m¨oglich verteiltes Kreuzkorrelationsrauschen ergeben. Diese Bandspreizung kann zur Unterdr¨uckung von St¨orern verwendet werden (s.Kap.11), nicht jedoch zur Unterdr¨uckung thermischen Rauschens:  Spread Spectrum ist kein Mittel gegen thermisches Rauschen. 6.1.3.2 Die Eigensto rung in PN-CDMA Wichtig bei PN-CDMA ist die Eigenst¨orung i (Self Interference) der Tr¨ager. Das Verh¨altnis von Bitenergie zu St¨orrauschen bei k Tr¨agern ist eb eb eb 1 ∼ 1 ∼ = = = = n0 + i n0 + (k − 1) · eb (k − 1) · eb k − 1 k

(6.3)

F¨ur k = 100 Tr¨ager ist C-I = −20 dB (bei den klassischen Modulationsverfahren wird C-I ≥ +10 bis +20 dB gefordert!). Die Degradation si ist somit:   c eb n0,th n0,th + £ci £ci ∼ £ci n0 [no,th · br ] = = =1+ si =   = c eb n0,th n0,th n0,th n0,th + n0,si [(n0,th + £ci ) · br ] n0 (6.4)

208

6 Vielfachzugriff, Erstzugriff, Protokolle

und si = 10 log si in dB: [Eb − No ]th+si = [Eb − No ]th − si in dB; der Betrag si muss vom nur thermischen Eb − No abgezogen werden. Diese enorme Eigenst¨orung begrenzte bislang die Kapazit¨at von CDMASystemen auf etwa 10% des mit TDMA erreichbaren Durchsatzes. CDMA war nicht f u¨ r den allgemeinen kommerziellen Wirkbetrieb geeignet, es wurde vielmehr f u¨ r Sonderaufgaben eingesetzt (Erstzugriff und milit¨arische Anwendungen). Die digitale Signalverarbeitung in der H¨ochstfrequenz verspricht hier zuk¨unftig frequenz¨okonomische Systeml¨osungen. Insbesondere verarbeitet die Digitaltechnik die nichtsynchronisiert empfangene Einzelsignale. Allerdings wird CDMA auch zuk¨unftig schwer empfangbar, wenn die Einzelsignale mit sehr verschiedenen Leistungspegeln ankommen, ein deutlich leistungsst¨arkeres Signal im Vergleich zu den restlichen Signalen und insbesondere zum leistungsschw¨achsten Signal im CDMA macht es sehr schwierig, das leistunsgsschw¨achste Signal zu empfangen. 6.1.3.3 Frequenzsprungverfahren { FH-CDMA Das Frequenzsprungverfahren (Frequency Hopping; FH) ist eine allgemeinere Form ¨ des Frequency Shift Keying. Die Ubertragung erfolgt im zeitlichen Nacheinander auf einer Anzahl von Frequenzen (s.Abb. 6.11). Die Auswahl der Frequenzen erfolgt nach einer PN-Folge, die Sender und Empf¨anger bekannt ist.

Abb. 6.11 Das Frequenzsprungverfahren

Da das Frequenzsprungverfahren die aktuelle Bandbreite des Nutzsignals nicht vergr¨ossert, ist es weniger spektrumsaufwendig als die Sequenz-Modulation (Direct Sequence). Ausserdem kann es auch schon bei niedrigeren Tr¨agerfrequenzen eingesetzt werden (bis in den Kurzwellenbereich). FH-CDMA ist effektiv gegen Mehrwegeeffekte, da diese frequenzabh¨angig sind, nur bei einigen Frequenzen zuschlagen, die man dynamisch vermeiden kann beziehungsweise mit einem kleinen Codieraufwand k¨onnen so zerst¨orte Frequenzen kompensiert werden. Deshalb wird FH-CDMA zunehmend im Mobilfunk eingesetzt. Bei GSM-FH ist die Hopping Rate ein Sprung per TDMA-Rahmen. Dieser ist 4,6 ms lang, es sind also 217 Spr¨unge/s. 6.1.3.4 Das Zeitsprungverfahren Das Zeitsprungverfahren ist das Pendant zum Frequenzsprungverfahren; in dem dort gesagten muss lediglich „Frequenz“ f u¨ r „Zeit“ getauscht werden, um das Time

6.1 Der Vielfachzugriff

209

Hopping-Verfahren (TH) zu beschreiben. Wenn die Sprunggeschwindigkeit hinrei¨ chend hoch ist, ist die Ubertragung technisch schwer detektierbar. Wenn TH auf einer konstanten Tr¨agerfrequenz arbeitet, geht ihm der Vorteil der Mehrwegeresistenz ab. 6.1.3.5 W-CDMA, WBCDMA, FD-CDMA, TD-CDMA, TD-SCDMA CDMA-Systeme werden heute sowohl als breitbandige Wide-Band-CDMA (WBCDMA) betrieben, als auch im FDMA-Betrieb (eine Reihe schmalbandiger CDMATr¨ager) als FD-CDMA realisiert – zum Teil auch im TDMA-Betrieb als TD-CDMA. Bei FD-CDMA sind die Bitraten der Endger¨ate (und damit ihre Kosten) niedriger; wegen der FDMA-Intermodulation ist jedoch auch die Systemkapazit¨at noch niedriger, als sie bei CDMA ohnehin schon ist. ¨ Die TD-CDMA Ubertragung wird durch Synchronisierung der Bursts effektiver: TD-SCDMA,„Time Division Synchronized CDMA“. 6.1.3.6 Die Intermodulation bei CDMA CDMA (WB-CDMA und insb. FD-CDMA) ist Vieltr¨agerbetrieb – auch wenn die Tr¨ager auf fast derselben Frequenz senden – und generiert deshalb Intermodulation, die im Transponder zu den bekannten drei Verlusten f u¨ hrt. Diese sind bei CDMA aber noch gravierender als bei FDMA; bei FDMA fallen je ein Drittel der Intermodulationsprodukte in das Band oberhalb und unterhalb des Tranponders, und nur ein Drittel in den Transponder selbst. Die von den dicht aufeinander liegenden CDMA-Tr¨agern generierten Produkte fallen alle in den Transponder selbst; das Intermodulationsrauschen ist drei mal (um ca. 5 dB) h¨oher als bei FDMA. Die Zahl der u¨ bertragbaren Tr¨ager ist um ca. 5 dB niedriger als bei FDMA und bis zu 10 dB niedriger als bei TDMA. 6.1.3.7 Graceful Degradation Ein Systemvorteil von CDMA ist das Fehlen einer harten Kapazit¨atsgrenze im Transponder – im Gegensatz zu den Limits an Frequenzen bei FDMA (wenn alle ¨ belegt sind, kann keine zus¨atzliche Ubertragung erfolgen) oder den Zeitschlitzen bei TDMA (wenn alle vergeben sind, m¨ussen weitere Nutzer warten). Ein Tr¨ager oder ein Zeitschlitz mehr als geplant w¨urde zur Kollisionen (Crash Degradation) ¨ f u¨ hren – die Ubertragung aller w¨urde gest¨ort. Wenn in einem CDMA-Transponder mit n Tr¨agern n + 1 Tr¨ager sind, de¨ gradiert die Tr¨agerqualit¨at w¨ahrend der Uberlastung lediglich um 1/n %, eine typische Gracefull Degradation. So eignet sich CDMA z.B. besonders f u¨ r Gespr¨achsanmeldungen, Statusmeldungen von Positions- und Systemdaten und Notfunk ohne vorherige Kanalzuteilung.

210

6 Vielfachzugriff, Erstzugriff, Protokolle

6.1.3.8 Zusammenfassung CDMA Zusammenfassend k¨onnen folgende Aspekte der Bandspreizung genannt werden: Vorteile der Bandspreizung – – – – – – – – –

Resistenz gegen Schmalbandst¨orer Resistenz gegen Mehrwegeeffekte Nachrichtenverschleierung (nicht Nachrichtensicherheit!) ¨ Selektive Ubermittlung an Teilnehmer durch Einsatz individueller Codes Absendung zuf¨allig in der Zeit (nicht getaktet) Absendung in etwa auf der Frequenz (nicht exakt) ¨ Ubertragung kann (notfalls) anderen Signalen u¨ berlagert werden ¨ Ubertragung kann (notfalls) ohne Frequenzkoordination erfolgen ¨ keine harte Kapazit¨atsgrenze, Gracefull Degradation bei Uberlastung.

Nachteile der Bandspreizung – – – – – – –

keine Resistenz gegen Breitbandst¨orer keine Resistenz gegen Mehrwegeeffekte ohne prohibitive Bandbreite keine Nachrichtensicherheit Empf¨anger muss mit dem Sender hochgenau zeitsynchronisiert sein erheblicher Bandbreitenbedarf/schlechte Spektrums¨okonomie wesentliches Intermodulationsrauschen grosse Eigenst¨orung.

Dem hohen Spektrumsanspruch steht keine entsprechende Zahl von gleichzeitig u¨ berlagerbaren Tr¨agern gegen¨uber; die Zahl der pro Frequenzbandbreite u¨ bertragbaren Signale ist bei CDMA kleiner als bei TDMA; der Grund hierf u¨ r liegt haupts¨achlich in der Intermodulation im Transponder. Ein theoretischer Vorteil von CDMA ist seine Resistenz gegen Mehrwegeeffekte. Das Navigationssystem GPS demonstriert durch die dort zuschlagenden mehrwegeeffekteverursachten Signaleinbr¨uche, dass zu deren Unterdr¨uckung Spreizfaktoren > 10 000 000 notwendig w¨aren, die bei dem begrenzt verf u¨ gbaren Spektrum nicht realisierbar sind. Ein im wehrtechnischen Umfeld relevanter Aspekt ist die Unempfindlichkeit gegen St¨orer. GPS demonstriert mit seinen Ausf¨allen in Anwesenheit von (auch nicht b¨oswilligen) St¨orern (wie Fernsehsender,Flughafenradars und Garagentor¨offnern), dass Bandspreizung hier ebenso wenig hilft, wie gegen Mehrwegeeffekte. CDMA ist kein Arbeitspferd f u¨ r den Wirkbetrieb in der Kommunikation. 6.1.4 Der Vielfachzugriff im Raum Neben Frequenz, Zeit und Code wird der Raum (die Erdoberfl¨ache) f u¨ r den Vielfachzugriff genutzt (Space Division Multiple Access; SDMA). Einzelne geographische Zellen werden von stark b¨undelnden Satellitenantennen auf die Erde projiziert und funkbedient (s. Abb. 6.12).

6.1 Der Vielfachzugriff

211

Abb. 6.12 Zellularer Raumvielfachzugriff (D = Durchmesser des Versorgungsgebietes; zum Beispiel 2468 km; d = Zellendurchmesser, zum Beispiel 57 km)

Die jeweils benachbarten Zellen m¨ussen eigene Frequenzen haben. In der jeweils u¨ bern¨achsten Zelle kann die Frequenz aber wieder verwendet werden. In der Wabenstruktur werden nur drei Frequenzunterb¨ander ben¨otigt: Das verf u¨ gbare Spektrum wird in die drei B¨ander f1 , f2 und f3 unterteilt. Mit Z Zellen ergibt sich der Frequenzband-Gewinn-Faktor Z (6.5) gSDMA = 3 Der Spektrums-Gewinn gSDMA (relativ zur Einfachnutzung des Spektrums) kann durch Verkleinerung der Zellgr¨osse d gesteigert werden. In der kreisf o¨ rmigen Anordnung umfassen mehrere Ringe die Zentralzelle. Die Anzahl der Zellen pro Ring w¨achst um sechs Zellen. In einer Region mit Durchmesser D sind Z = (D/d)2 Zellen m¨oglich. Diese Region produziert folgende Gewinnzahlen gSDMA : Z= gSDMA =

9 3

18 6

39 13

60 20

90 30

129 43

171 57

F¨ur z.B. Z = 169 (Thuraya,ACeS etc.) wird gSDMA = 169/3 = 56,3; das physikalische Frequenzband wird 56,3-mal zellular genutzt. Ein Band von z.B. 30 MHz wird so zu 1680 MHz nutzbarem Hochfrequenzspektrum. Die Zellulartechnik verspricht die h¨ochste Effizienz der Frequenznutzung, da die einzelnen Zellen immer kleiner gemacht und die Frequenzen beliebig oft wieder verwendet werden k¨onnen. Im Limit wird man im 21. Jahrhundert Zellen auf Grosst¨adte richten und im 22. Jahrhundert auf Teilnehmer.  Nur mit der die Zellulartopologie hat der Satellit zuk¨unftig Vorteile gegen¨uber terrestrischen Netzen. 6.1.5 Der Vielfachzugriff in der Polarisation Durch gleichzeitige Ausstrahlung der elektromagnetischen Welle in den beiden orthogonalen Polarisationen (vertikal und horizontal oder rechtszirkular und linkszirkular) kann das Frequenzband zweimal genutzt werden (Polarization Reuse;

212

6 Vielfachzugriff, Erstzugriff, Protokolle

Abb. 6.13 Die Polarisationswiederverwendung

s. Abb. 6.13). Der begrenzende Faktor hierbei ist die Polarisationsreinheit der Ausstrahlung (insbesondere der Antennen) am Boden und im Satelliten. Die bei INTELSAT erreichte Polarisationsreinheit betr¨agt 27 bis 30 dB, f u¨ r die Aufw¨artsstrecke und die Abw¨artsstrecke. Damit ergibt sich ein Gesamt-Tr¨ager-zuSt¨orverh¨altnis zwischen den orthogonalen Polarisationen von 24 bis 27 dB. Die gegenseitige Beeinflussung (Quer-St¨orung) der beiden Polarisationen mindert den Frequenz-Wiederverwendungsgewinn von dem theoretischen Wert 2,0 auf < 1,75. Im Sachzwang der immer knapper werdenden Spektrumsverf u¨ gbarkeit wird aber diese Vielfachzugriffsm¨oglichkeit (ausser im Mobilfunk mit seinen Dipolantennen) u¨ berall genutzt, auch (zunehmend) in der wehrtechnischen Satellitenkommunikation. 6.1.6 Das Fallbeispiel SPADE Das SPADE (S[ingle Channel Per Carrier] P[ulse Code Modulated Multiple]A [ccess] D[emand Assignment Multiple Access] E[quipment], DAMA) ist ein INTELSATSystem. Aus einem Pool von Kan¨alen werden freie Frequenzen f u¨ r die einzelnen Gespr¨ache belegt und nach Gespr¨achsende zur¨uckgegeben. Die Sprachkan¨ale werden mit 8 000 Abtastungen pro Sekunde geprobt, mit 7 bit pro Abtastwert. Die resultierenden 56 kbit/s PCM4 werden mit 4PSK5 auf 70 MHz moduliert und die Tr¨ager bei 6 GHz zum Satelliten, bei 4 GHz zur¨uck u¨ bertragen – PCM/SCPC/PSK/FDMA, d.h. maximal 800 Pulse-Code-modulierte Einzeltr¨ager (SCPC) phasenmoduliert und im FDMA-Verfahren in einem Tansponder. Der Informationsaustausch u¨ ber den Belegungszustand des Transponders wird u¨ ber den Common Signalling Channel (CSC, ein allen Teilnehmern zug¨anglicher Signalisierungskanal) durchgef u¨ hrt. Dieser arbeitet in TDMA; damit ist eine Doppelbelegung von Kan¨alen ausgeschlossen. Die wichtigsten Daten des CSC sind – Bitrate 128 bit/s – Rahmenl¨ange 50 ms – Maximale Anzahl der Bodenstationen im Netz = 49 4 5

PCM = Puls-Code Modulation PSK = Phase-Shift Keying (Modulation)

6.1 Der Vielfachzugriff

213

Die wichtigsten Daten des u¨ bertragungstechnischen Teils sind – – – – –

Anzahl der Kan¨ale im Transponder n = 800 verf u¨ gbare Leistung im Transponder f u¨ r 320 Kan¨ale Basisbandsignal codiert mit 7/8-Code auf 64 kbit/s und DSI6 -vorverarbeitet Basisband-Bitfehlerrate (Bit Error Rate) BER = 10−4 Hochfrequenztr¨ager 4PSK koh¨arent moduliert (QPSK) mit C-N = 13 dB

Die Auslegung von 800 Kan¨alen mit der Leistung f u¨ r 320 basiert auf der Statistik: Im Mittel sind immer nur 40% der Kan¨ale aktiv. 6.1.7 Beurteilung der Vielfachzugriffsverfahren Kriterien f u¨ r den Systemvergleich von Vielfachzugriffsverfahren h¨angen auch von dem zugrunde gelegten Dienst ab. Erfordert dieser ein H¨ochstmass an St¨orsicherheit, ist CDMA geeignet. Steht lastabh¨angige Kapazit¨atszuteilung im Vordergrund, dann sind SCPC/FDMA, TDMA und CDMA zun¨achst etwa gleichwertig; kommt Bandbreite ins Kalk¨ul, dann ist TDMA allen anderen Verfahren u¨ berlegen. In jedem der Vielfachzugriffsverfahren ist die zus¨atzliche Ausnutzung der Polarisation zur Erh¨ohung der Frequenznutzung (um maximal einen Faktor 2) und/oder die zus¨atzliche Anwendung der Gebietsisolation (Spacial Isolation) zur Erh¨ohung der Frequenznutzung (um einen fast beliebig grossen Faktor) m¨oglich. Die prinzipiellen Parameter der Vielfachzugriffsverfahren TDMA, FDMA und CDMA sind die Zeit, die Leistung und die Bandbreite (s.Abb. 6.14). Tabelle 6.1 zeigt typische Bandbreitennutzungen, ohne Polarisations- und r¨aumliche Vielfachnutzung, in „Telefonkan¨alen pro MHz“. Zeit Zeit Leistung

Zeit

Bandbreite Leistung

FDMA

Bandbreite Leistung

TDMA

Bandbreite

CDMA Abb. 6.14 Darstellung von FDMA, TDMA und CDMA in Bandbreite, Zeit und Leistung

6

DSI = Digital Speech Interpolation, ein Komprimierungsverfahren zur Reduzierung der Bitrate des Sprachkanals

214

6 Vielfachzugriff, Erstzugriff, Protokolle

Tabelle 6.1 Telefonkan¨ale pro MHz f¨ur TDMA, FDMA (Ein- und Mehrtr¨agerbetrieb) und CDMA TDMA

200

FDMA 5 CDMA

bis

400

bis

200

(Mehrtr¨ager SCPC/FDMA)

bis

250

(Mehrtr¨ager FDM/FDMA oder TDM/FDMA)

bis

500

(Eintr¨ager FDM oder TDM)

ca.

10

Logische Arten derVerbindung sind Line Switching und Packet Switching. F¨ur beide gibt es bei der Vermittlung Unterarten: Bei Leitungen W¨ahlleitungen (Switched Lines) und Standleitungen (Leased Lines), deren Pendants in der Paketvermittlung das Datagram bzw. die Permanent Virtual Circuits sind. Der jeweils optimale Kanal h¨angt von der Dienstcharakteristik ab. In den Extrema sind die L¨osungen einfach: Geringe Daten-Volumina → Packet Switching Wenige Sprach-Kan¨ale → SCPC und/oder Packet Switching Grosse Daten-Volumina → TDMA mit langen Rahmen Viele Sprach-Kan¨ale → SCPC oder TDMA mit kurzen Rahmen. SDMA ist das einzige Verfahren, das das Frequenzband fast beliebig oft wiederverwendet und wird deshalb in der Satellitenkommunikation zunehmend angewandt (im terrestrischen Zellularfunk wird es seit langem verwendet). In Satelliten ist der Durchsatz wesentlich von der Mehrtr¨agerintermodulation begrenzt. Eintr¨ager-TDMA w¨are der einzige intermodulationsfreie Zugriff, der so den h¨ochsten Durchsatz erzielt; FDMA und CDMA sind Mehrtr¨agerverfahren. Bei FDMA entzieht die Intermodulation den Tr¨agern Transponderleistung (ca. 1–2 dB) und f u¨ gt dem thermischen noch Intermodulationsrauschen hinzu (ca. 2 dB), und dies bei einem Transpondervorhalt (Output Backoff) von ca. 3 dB. Das Tr¨ager/Rauschleistungsverh¨altnis wird somit um 7–8 dB verringert, was den Tansponderdurchsatz (die Kapazit¨at) entsprechend verringert. Beim Mehrtr¨agerverfahren CDMA entzieht die Intermodulation 1 bis 2 dB Transponderleistung und f u¨ gt dem thermischen Rauschen ca. 4 dB Intermdodulationsrauschen hinzu (mehr als „2 “ des Intermodulationsrauschens fallen in den Transponder selbst, da die sie generierenden Tr¨ager alle bei der Transpondermittenfrequenz liegen), und dies bei einem Arbeitspunkt unterhalb der S¨attigung des Verst¨arkers (einem Arbeitspunktvorhalt; Output Backoff) von ca. 3 dB. Das Tr¨ager/Rauschleistungsverh¨altnis wird somit um 8,5–9,0 dB verringert (s. Abb. 6.15). F¨ur durchsatzorientierte Transponder ist CDMA nicht in der engeren Wahl – trotz seinerVorz¨uge,dass die Tr¨ager nicht zeitsynchronisiert sein m¨ussen,frequenzinstabil sein d¨urfen, und CDMA keine harte Kapazit¨atsgrenze hat. TDMA in Personal Communication Systems (PCS) ist satellitenseitig von Vorteil (die h¨ohere Bitrate wird von der h¨oheren Leistung bedient) aber im Nutzerterminal von Nachteil: Die h¨ohere Bitrate fordert linear proportional h¨ohere Sendeleistung im Nutzerterminal (dem Handy).

6.2 Der Erstzugriff

215

100

TDMA

Durchsatz in %

50

FDMA

CDMA 0 1

10

100

Teilnehmer

Abb. 6.15 Systemkapazit¨at von TDMA, CDMA und FDMA gegen Anzahl von Erdfunkstellen

Eintr¨ager-TDMA produziert den h¨ochsten Durchsatz, gefolgt von FDMA mit einer m¨assigen Anzahl von Tr¨agern. CDMA eignet sich hervorragend dort, wo (nicht ¨ durchsatzorientiert) seine Vorz¨uge zum Tragen kommen – in der Ubertragung von kleinen Datenvolumina (Small Messaging Services; Paging etc.) und insbesondere im Erstzugriff. Der Einzug von CDMA in den USA im terrestrischen Mobilfunk (der IS-95 Standard) ist darin begr¨undet, dass im Zellularfunk der Arbeitspunktvorhalt gross gemacht werden kann und ist wohl auch industriepolitisch begr¨undet.

6.2 Der Erstzugriff Im Vorangegangenen wurde der Zugriff im eingeschwungenen Zustand (Steady ¨ State) beschrieben.Wenn die Teilnehmer keine fest zugeteilte Ubertragungskapazit¨at besitzen, der Kanal nur bei Bedarf zugeteilt (Demand Assignment) und nach der ¨ Ubertragung wieder zur¨uck genommen wird, um das Frequenzspektrum effizient ¨ zu nutzen, stellt sich das Problem des Erstzugriffs. Eine Ubertragung muss ange¨ meldet und nach Verf u¨ gbarkeit der Ubertragungsressource zugeteilt werden. Wie findet der Teilnehmer diesen Zugriff (Initial Access) zum Netz? Welche Methoden gibt es, und welche eignen sich f u¨ r Sprache, Daten, Video, Faksimile etc. Im lastabh¨angigen Vielfachzugriff (Demand Assignment; DAMA) kann man ¨ auch Reservierungen machen. Regelm¨assige, voraussehbare Ubertragungen zum Beispiel f u¨ r Rundspr¨uche zur Gruppe oder zur Flotte k¨onnen reserviert werden, so dass keine Anmeldung notwendig ist. Das T¨atigen von Reservierungen ist f u¨ r die Netzkontrolle vergleichsweise trivial.

216

6 Vielfachzugriff, Erstzugriff, Protokolle

6.2.1 Die Verfahren F¨ur den Vielfachzugriff gibt es drei grunds¨atzliche M¨oglichkeiten: ¨ – die feste Reservierung von geplanten Ubertragungen, – das historische Polling; das Netz fragt alle Teilnehmer ab, ob sie Bedarf haben, – die dynamische Bedarfsanmeldung (Call Request); der Teilnehmer meldet den Wunsch des Zugangs zum Netz, und die Netzkontrolle bearbeitet ihn (DAMA7). Die starre Reservierung ist nur f u¨ r Anwendungen wie zum Beispiel die st¨undliche ¨ Ubertragung der Wetterkarte zur Flotte sinnvoll. Der Nachteil des Polling liegt einerseits im Zeitverzug zwischen dem aktuellen Bedarf und dem n¨achsten Abfragezyklus, und andererseits in der Ineffizienz: Es werden viele Teilnehmer umsonst abgefragt. Deshalb steht heute DAMA im Mittelpunkt. Ein DAMA-Request kann u¨ bertragen werden (1) in einem speziellen Request Channel (einer Art Dienstsprachkanal f u¨ r Daten) (2) in einem der stehenden Kommunikationskan¨ale (3) ein den Kommunikationskan¨alen per Spread Spectrum u¨ berlagert. Sinnvoll ist es, einen (besser mehrere) spezielle (logische) Request Channels vorzusehen und die Requests vom Wirkbetrieb zu trennen. Die physikalischen Request Channels sind vorteilhaft als separate Hochfrequenztr¨ager realisiert, wenn das System FDMA ist, bzw. als Zeitschlitze eingerichtet, wenn das System TDMA ist bzw. dedizierte Codes in CDMA-Systemen. Im INMARSAT-System sind f u¨ r Requests mehrere (FDMA) Request Frequencies eingerichtet, w¨ahrend f u¨ r Assignments Zeitschlitze im TDM-Tr¨ager vorgesehen sind. Im GLOBALSTAR-System gibt es auf zwei der neun Tr¨agerfrequenzen dedizierte Request Codes im CDMA f u¨ r Requests und Assignment. Wie findet der Teilnehmer den Zugang zum System - wie funktioniert der Erstzugriff mit den unterschiedlichen Anforderungen von ortsfesten und mobilen Nachrichtennetzen? Im terrestrischen Netz melden wir eine Verbindung an, indem wir mit dem Tastenfeld u¨ ber die Festleitung zum System der Vermittlung unseren Wunsch melden; das Kupferstrippenpaar zum Apparat hat ja drei Funktionen: 1. 2. 3.

¨ die Ubertragung der Sprach-, Fax- und Datensignale; die Stromversorgung des Telefonapparates; die Anmeldung des Gespr¨aches vom Teilnehmer an das Netz bzw. die Anmeldung eines Gespr¨aches vom Netz zum Teilnehmer; ¨ – f u¨ r die Ubermittlung zum Netz ist der „Gabelschalter“ ge¨offnet und W¨ahlimpulse werden an die Vermittlung gesendet; – f u¨ r die Alarmierung des Teilnehmers vom Netz aus aktiviert ein Signal (fr¨uher ein 25 Hz Sinuston) den Apparat (bei geschlossenem Gabelschalter).

Wie macht man das in einem Satellitensystem, in dem man zun¨achst keine Verbindung hat? Was sind die Gr¨unde f u¨ r unterschiedliche Zugriffsverfahren in 7

Demand Assignment Multiple Access, lastabh¨angiger Vielfachzugriff

6.2 Der Erstzugriff

217

– kabelgebundenen Netzen – terrestrischen Funknetzen – satellitengest¨utzten Funknetzen? DieVermittlung von Gespr¨achen und Daten in den mobilen Diensten erfolgt fast genauso wie in den station¨aren Diensten, wenn der Anruf vom Festnetz zum mobilen Teilnehmer geht. Vom mobilen Teilnehmer zur¨uck ins Netz wird es interessanter: Im Gegensatz zu den station¨aren Teilnehmern,die ihr Telefon fest verdrahtet haben, arbeitet der mobile Teilnehmer notwendigerweise u¨ ber Funk. 6.2.2 Demand Assignment Multiple Access Die Funkkan¨ale werden auf Bedarf aufgebaut: Um das Frequenzband effizient zu nutzen, ordnet man einen Funkkanal dem mobilen Teilnehmer nur w¨ahrend des Gespr¨aches zu.Wie meldet man ein Gespr¨ach an,wenn man noch keinen Funkkanal hat? Dies sei am Beispiel eines Mobilfunksystems aufgezeigt. 6.2.2.1 Carrier Sensed { Anrufe vom Fahrzeug Man nimmt den H¨orer ab und der Apparat beginnt, das Spektrum auf einen freien Kanal abzusuchen (carrier sensing). Dann sendet das Ger¨at die eigene und die gew¨unschte Rufnummer auf diesem Kanal. Das Netz belegt das Kanalpaar und sendet auf dem Empfangskanal eine Quittung. Danach h¨ort man das W¨ahl- oder Besetztzeichen des angew¨ahlten Teilnehmers; der Rest der Verbindung l¨auft wie im Festnetz ab. 6.2.2.2 Carrier Sensed { Anrufe zum Fahrzeug Im Ruhestand h¨ort das Ger¨at im Fahrzeug auf einen Vermittlungskanal (zum Beispiel den Kanal Nr. 19). Auf dem wird ihm mitgeteilt, dass und auf welchem Kanal ein Anruf angekommen ist, so dass sich das Ger¨at auf diese Frequenz einstellt. 6.2.2.3 Carrier Sensed { Zusammenfassung K¨onnte man dieses System im Satellitenmobilfunk anwenden? Ein Assignment Packet k¨onnte aufgrund der scheinbaren Nichtbelegung des Kanals abgeschickt werden, obwohl w¨ahrend der 240 ms Signallaufzeit u¨ ber den GEO-Satelliten Teilnehmer aufgrund derselben Beobachtung ebenfalls Pakete abgeschickt haben. Diese w¨urden kollidieren.Weiteren Teilnehmern w¨urden derartige Kollisionen bzw.die Neubelegung einer Frequenz fr¨uhestens 480 ms sp¨ater mitgeteilt. Diese dezentrale Anmeldung von Gespr¨achen u¨ ber Satellit ist nicht durchf u¨ hrbar.

218

6 Vielfachzugriff, Erstzugriff, Protokolle

6.2.2.4 Die Maritime Kurzwelle { Polling Beim Polling werden alle Teilnehmer periodisch – zum Beispiel alle vier Stunden – abgefragt, ob sie telefonieren wollen. Es wurde in der maritimen Kurzwelle angewandt. Es ist nicht effizient, denn ein Teilnehmer muss bis zu vier Stunden warten, um ein Gespr¨ach anzumelden. Danach kann es in Zeiten reger Aktivit¨at wiederum bis zu vier Stunden dauern, bis ihm ein Kanal zugeteilt wird. Ausserdem werden viele Teilnehmer umsonst gefragt, da in praxi nur ein kleiner Teil aktiv ist. 6.2.2.5 Die Maritime Kurzwelle { Selektivruf Beim Selektivruf werden Teilnehmer von der zentralen Station gezielt angesprochen. Analoger Selektivruf im maritimen VHF-, Grenzwellen- und Kurzwellenbereich wird in einigen maritimen Netzen (mit Frequenzfolgetonverfahren) durchgef u¨ hrt. Dieses erfolgt nach Demand, im VHF-Bereich auf dem Kanal 16 (156,8 MHz), auf der Grenzwelle bei 2 175 kHz. In der Kurzwelle wird das Verfahren kaum angewandt, da aufgrund der unterschiedlichen Ausbreitungsbedingungen kein einheitlicher Anrufkanal vereinbart werden kann. 6.2.3 Das Beispiel INMARSAT Wegen der Nachteile des Pollings wurden in INMARSAT Request Channels vorgesehen, u¨ ber die Teilnehmer Anmeldungen per ALOHA einbringen. Die Anmeldungen werden in der Shore Station vom Network Control Processor verarbeitet, und dem Anmelder wird ein Telefonkanal oder TDMA- Zeitschlitz zugewiesen. In jedem Falle bekommt er innerhalb von 6 s eine Best¨atigung. Diese wird von der K¨ustenstation in einem der 22 Zeitschlitze eines TDM-Tr¨agers (dem Assignment Channel) u¨ bermittelt, den das Schiff 24 h pro Tag empfangen muss, sonst k¨onnte es Anrufe vermissen. Die anderen 21 Zeitschlitze u¨ bertragen Fernschreiben und Daten. Dieses TDMA/TDM-System war 1976 das erste der Welt - f u¨ r Niedrigpreise f u¨ r den Mobilfunk optimiert. Eine Gespr¨achsanmeldung besteht aus einem 172 bit-B¨undel (22 byte-Burst), BPSK moduliert und in Slotted-ALOHA mit 4,8 kbit/s (36 ms lang). Damit ergibt sich f u¨ r eine Flotte von 2 000 aktiven Schiffen mit durchschnittlich vier Anrufen pro Tag, die Wahrscheinlichkeit 1%, dass w¨ahrend der besch¨aftigtsten Stunde des Tages zwei Anmeldungen kollidieren (wenn sie sich nur um ein bit u¨ berlappen, werden beide von der Vermittlung als undecodierbar zur¨uckgewiesen). Die Wahrscheinlichkeit der erfolgreichen Anmeldung ist 99%, dass sie korrekt decodiert wird: Die 109 bit-Pr¨aambel (von den 172 bit) hat 50 bit f u¨ r die Tr¨agerr¨uckgewinnung, 29 bit f u¨ r Bitsynchronisierung und 30 bit f u¨ r das Unique Word, das der Rahmensynchronisierung dient. Die verbleibenden 63 bit sind zyklisch BCH(63,39) codiert, d.h., 24 weitere bit gehen in die Codierung und nur 39 von 172 bit sind die eigentliche Information. Dafu¨ r garantiert diese Codierung bei einer mittleren Bitfehlerrate von 10−5 eine Ausgangsfehlerrate von 10−22 . Die Wahrscheinlichkeit einer undetektierten Kollision zweier Anmeldungen ist 0,524 = 6 ∗ 10−8 . Die Informationsbits enthalten im Einzelnen:

6.2 Der Erstzugriff

219

21 bit f u¨ r die Schiffskennung 4 bit f u¨ r die Wahl der gew¨unschten K¨ustenfunkstation 3 bit f u¨ r die Nennung des gew¨unschten Fernmeldenetzes (z.B. die TELEKOM, D1, D2 etc.) 4 bit f u¨ r Identifizierung der Dienstart (Telefon, Fax, Daten¨ubertragung, Simplex, Duplex etc.) 2 bit f u¨ r die gew¨unschte Priorit¨at: 0 routine 1 securit´e 2 penne (PanPan) 3 m’aidez (Save Our Souls, SOS) 4 bit zur Identifizierung der Schiffsposition; diese Information ist so wichtig zur Einleitung von Rettungsmassnahmen wie die Seenotnachricht selbst. Ein weiterer Grund f u¨ r die Aufnahme der Schiffsposition in die Anmeldung ist, die notwendige Satellitensendeleistung auszupegeln, anstatt einer Maximalleistung vom Satelliten zu den Schiffen. W¨urde die Sprachqualit¨at f u¨ r das Schiff im Nadir des Satelliten eingestellt, w¨are sie am Rande der Ausleuchtungszone unakzeptabel. W¨ahlte man sie so, dass das Schiff am Rande der Satelliten¨uberdeckung (bei Erhebungswinkeln von ≥5◦ ) nominelle Sprachqualit¨at bekommt (28 dB Signal/RauschAbstand bzw. 10−6 Fehlerrate), w¨are die Qualit¨at im Nadir u¨ berdimensioniert und, als Folge davon, die Satellitenkapazit¨at stark vermindert. Ein Rand-Kanal braucht etwa sechs Mal so viel Leistung wie ein Nadir-Kanal: – zus¨atzliche Ausbreitungsverluste incl. Atmosph¨are 1,5 dB, – geringerer Gewinn der Satellitensendeantenne 2,5 dB, – Mehrwege-verursachte Signaleinbr¨uche (Fades) 4,0 dB. Man kann im Transponder entweder 32 Nadir- oder 5 Randkan¨ale betreiben. Wie organisiert man den Vielfachzugriff mehrerer Shore Stations in einer Region und u¨ ber einen Satelliten? Man braucht nicht eine Station pro Land, sondern eine in jeder gr¨osseren Region, also ca. 50 pro Hemisph¨are. Es bieten sich drei Konzepte an: 1. Individuelle Netzsteuerung: Jede (Gateway)-Station hat ihre eigenen Funkkan¨ale, wie im Kurzwellenfunk: Pre-Assignment FDMA bzw. TDMA; 2. Zentralisierte Netzsteuerung: Eine Station u¨ bernimmt die Kontrolle des Gesamtsystems; wird in den meisten Satelliten-SCPC-Systemen angewandt: FDMA bzw. TDMA; 3. Verteilte Netzsteuerung: Es gibt keine zentrale Referenzstation; alle Stationen verhalten sich gem¨ass einem festgelegten Algorithmus,und teilen sich die Funkkan¨ale. Es muss einen General Manager geben (der wahrscheinlich gleichzeitig eine Station betreibt). Der Unterschied zwischen den Konzepten ist: Das erste – die individuelle Netzsteuerung – ist am einfachsten.Nachteilig ist,dass ein Schiff nur die eine Station h¨ort, mit der es gerade kommuniziert und f u¨ r alle anderen taub ist. Ausserdem werden die Satellitenkan¨ale ineffizient ausgelastet.

220

6 Vielfachzugriff, Erstzugriff, Protokolle

In einem Erlang-C betriebenen Satelliten-Transponder mit 32 Telefonkan¨alen und einer Anforderung von 27 Erlang reduzieren sich die handhabbaren Gespr¨achsminuten um 20%, wenn man von rein verkehrsabh¨angiger Kanalzuordnung (DAMA) auf quasi-feste Kanalzuordnung (Pre-Assignment) u¨ bergeht, bei gleicher Blockierwahrscheinlichkeit (Grade of Service) in beiden F¨allen (zum Beispiel 1 in 20). Mit zunehmender Anzahl von Stationen wird diese Talfahrt schneller. Im zweiten Konzept, der zentralisierten Netzsteuerung, in dem eine Station die System-Referenz stellt, ist verkehrsabh¨angige Kanalzuordnung m¨oglich und eine optimale Gesamtstrategie f u¨ r die Kanalzuordnung realisierbar – mit R¨ucksicht auf den Ort des Gespr¨achsursprungs bzw. den Bestimmungsort im Netz von Shore Stations. Im dritten Konzept, der verteilten Netzsteuerung, haben alle Stationen eine Netzsteuerung und Betriebsaufwand, den im zweiten Konzept nur eine Station aufzubringen braucht. In Wahrheit ist die Komplexit¨at bei verteilter Netzsteuerung noch gr¨osser als bei zentralisierter Netzsteuerung und die Betriebsvereinbarungen, Kanalbelegungsprotokolle und Netzsteuerungsalgorithmen m¨ussen sorgf¨altig gehandhabt werden, denn die Gesamtzuverl¨assigkeit h¨angt stark von der Einzelzuverl¨assigkeit der Stationen ab. Bei verteilter Kontrolle ist der Aufwand an Signalgebung gr¨osser als bei zentralisierter Netzsteuerung und jede Station kann einen Ausfall des gesamten Netzes verursachen. Zugriffsverfahren INMARSAT Outbound Verbindungen (Requests) zum mobilen Teilnehmer gehen in einer Netzkontrollstation (¨uber das o¨ ffentliche W¨ahlnetz) ein und werden von ihr bedient – bzw., wenn ¨ keine Ubertragungskapazit¨ at frei ist, in eine Warteschlange eingeordnet. Wenn der Anrufer nicht weiss, wo der Partner ist, sucht ihn das System weltweit. 6.2.4 Zufallszugriff ALOHA Das ALOHA-Verfahren wurde von Prof. Abramson an der University of Hawaii in den 50er Jahren definiert und in einem UHF-Broadcast-System untersucht. In der Sprache Polynesiens heisst ALOHA „Gr¨uss Gott, da bin ich!“. Der Teilnehmer meldet sich ohne Kenntnis der Verf u¨ gbarkeit von Kan¨alen einfach mal an; wenn sich seine Anmeldung mit anderen u¨ berlappt, wird sie so lange wiederholt, bis es ¨ klappt. Die Wahrscheinlichkeit der Uberlappung (Kollision) und die resultierende ¨ Ubertragungskanalkapazit¨at berechnen sich wie folgt: L sei die mittlere Anzahl aller abgeschickten Pakete pro Zeiteinheit und T die mittlere Paketl¨ange; dann ist die Kanalbelegung  = L·T (6.6) Da Pakete kollidieren und wieder abgeschickt werden m¨ussen, ist die Kanalbelegung h¨oher; die Anzahl aller Pakete einschliesslich wiederholt gesendeter Pakete ist L ; welche Kanalbelegung  ergibt sich mit L ? Unter der Annahme statistisch unabh¨angiger, zuf¨alliger Absendungen ist die Wahrscheinlichkeit, dass im Zeitraum

6.2 Der Erstzugriff

221

dt ein Paket abgeschickt wird, proportional zu dt und die H¨aufung der pro Zeiteinheit abgeschickten Pakete poissonverteilt; die Wahrscheinlichkeit, dass n Pakete pro Sekunde abgeschickt werden, ist also 

PROB{n} =

Ln e−L 1 sec . n!

(6.7)

Die Wahrscheinlichkeit, dass n = 0 Pakete im Zeitraum t abgeschickt werden, ist 

PROB{0} = e−L t .

(6.8)

Angenommen, dass ein Paket zum Zeitpunkt t0 abgeschickt wird, kommt es zu einer Kollision, falls ein zweites Paket im Zeitraum von t0 − T bis t0 + T abgeschickt wird. Die Wahrscheinlichkeit, dass in die Zeit 2T kein Paket abgeschickt wird, ist 

PROB{0} = e−L 2T .

(6.9)

Der Anteil von Paketen, die in dieser Zeit abgeschickt werden, muss kollidieren und wieder abgeschickt werden; die Menge R der Wiederholsendungen ist 

R = 1 − e−L 2T .

(6.10)

Die Beziehung zwischen urspr¨unglich und wiederholt abgeschickten Paketen ist 

L = L (1 − R) = L e−L 2T

(6.11)



in Kanalbelegung  ist dies  = LT = L T e−L 2T . Davon ist der Wirkverkehr: G = L T.

(6.12)

Mit abnehmender Wahrscheinlichkeit werden bereits wiederholt abgeschickte Pakete kollidieren. Die mittlere Zahl N von Wiederholsendungen f u¨ r ein Paket ist 

N = R◦ + R1 + R2 + R3 + R4 + R5 + . . . = 1/(1 − R) = e+L 2T . F¨ur die Kanalbelegung  ergibt sich somit =

ln(N) . (2N)

(6.13)

6.2.4.1 Random ALOHA F¨ur den zuf¨alligen (random) ALOHA-Kanalzugriff soll nun die Kanalbelegung   (L ) maximiert werden, d.h. d()/dL = 0 und damit L Te−2L T (−2T) + Te−2L T = 0, also L = 1/2T und L



 = L Te

−L 2T

e−1 1 e− L = = = 0,184. = 2 2 2e

(6.14)

¨  Der maximal m¨ogliche Durchsatz einer paketvermittelten Ubertragung betr¨agt 18,4%.

222

6 Vielfachzugriff, Erstzugriff, Protokolle

6.2.4.2 Slotted ALOHA Der niedrige Durchsatz des ALOHA l¨asst sich durch Zeittaktung verbessern. Das Absenden bleibt willk¨urlich, aber auf den Zeittakt quantisiert (Slotted ALOHA). Die Kollisionswahrscheinlichkeit ist: Die Zeit,in der Kollisionen passieren k¨onnen,ist T  lang (von t0 bis t0 +T, anstatt von bis t0 −T bis t0 +T, wie oben). Damit: R = 1 −e−L T  und damit  = LT = L Te−L T , so dass die Anzahl N von Wiederholsendungen  N = e−L T , oder  = ln(N)/N wird. Es soll nun wieder die Kanalbelegung (L ) maximiert werden,d.h.d()/dL = 0   bzw. L Te −L T (−T) + Te−L T = 0, so dass L =

1 T

und



 = L Te−L T = e

−L L

=

1 = 0,368 e

(6.15)

 Der maximale Durchsatz bei festem Zeittakt und konstanter Paketl¨ange ist 36,8%. Die Taktung bringt eine Verdoppelung gegen¨uber ungetaktetem ALOHA. Der Durchsatz wird nur durch die konstante Paketl¨ange geschm¨alert, die nicht genutzt wird, wenn die Information das Paket nicht zu 100% f u¨ llt. Weitere Durchsatz¨ erh¨ohung wird erreicht, wenn vorhersehbare Ubertragungen reserviert werden. 100

getaktetes ALOHA

80

Relativer Durchsatz in %

60 40

ungetaktetes ALOHA

20 0 0

10

20

30

40

Verkehrsrate ρ in %

Abb. 6.16 Die Kanalnutzung bei getaktetem und ungetaktetem ALOHA 0,5 0,4

Durchsatz 0,3 S 0,2 0,1 0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

Gesamtverkehrsaufkommen

Abb. 6.17 Durchsatz gegen Gesamtverkehrsaufkommen (Erst- und Wiederhol¨ubertragungen)

6.2 Der Erstzugriff

223

Die Reservierungen sind jedem Teilnehmer bekannt. Damit wird die Kollisionsrate herabgesetzt, die Kanalausnutzung erh¨oht (s. Abb. 6.17). Wenn alle Zeitschlitze reserviert sind, wird 100% Kanalausnutzung erreicht, degradiert lediglich durch den Overhead in jedem Paket, der f u¨ r Bit- und Rahmensynchronisation, Absender und Adresse etc. ben¨otigt wird. Dies entspricht dem Preassignment Time Division Multiple Access mit dem Unterschied, dass in dem offenen Paket-System Informationsb¨undel variabler L¨ange m¨oglich sind. In der Optimierung von Paket-Systemen ist neben dem Durchsatz (der Kanalnutzung) die Laufzeit der Pakets (Delay) zu br¨ucksichtigen. Je enger die Grenzen f u¨ r das Delay gesetzt werden, desto weniger Flexibilit¨at bleibt, den Verkehrsfluss optimal zu steuern, die Kanalnutzung (Throughput) wird reduziert. Umgekehrt, wenn die Delay-Anforderungen gelockert werden, k¨onnen Routing, Via-Routing, Warteschlangen etc. dazu benutzt werden, die Kanalnutzung zu maximieren. Die beschriebenen TDMA-Verfahren (incl. Packet Switching) haben gemeinsam: w¨ahrend der dem einzelnen Teilnehmer zugeteilten Zeit, hat er die gesamte Satellitenleistung (die Transponders¨attigungsleistung) zurVerf u¨ gung.Er muss aber den Satelliten mit entsprechender Uplink-Power ansteuern, um sie zu realisieren; ausserdem muss er in der Bitrate des TDMA-Systems arbeiten – z.B. 64 Mb/s – auch wenn er selbst nur 64 kb/s u¨ bertr¨agt. 6.2.5 Paketvermittlung in Satellitennetzen; Protokolle Vielfachzugriff im Zeitbereich (Time Division Multiple Access; TDMA) garantiert ¨ die optimale Nutzung des Ubertragungskanals. Das Pendent zur Leitungsvermittlung sind fest zugeteilte Zeitschlitze. Diese bleiben jedoch leer, wenn kein Verkehr ist.Bei stark wechselndenVerkehrsanforderungen sind dynamische,bedarfsgesteuerte Verfahren mit kurzer Anpassungszeit vorteilhafter. Sie erlauben angepasste Kanalzuteilung, die bessere Auslastung des Kanals bei gleichzeitig k¨urzerer Reaktionszeit – die Paketvermittlung (s. Abb. 6.18). Man nutzt die statistischen Eigenschaften z.B. der menschlichen Sprache f u¨ r die bessere Auslastung von Nachrichtensatelliten.Mit zunehmendemVerkehrsaufkommen mit Rechnersystemen (IP) werden flexiblere Paket-Verfahren, als f u¨ r Telefonie interessant, da die statistischen Eigenschaften von Datenstr¨omen und die Echtzeit-

Synchronization

Header

Te

xt

Check Characters Synchronization

Line Tests; Lost Packets Prevention

Präambel

Message

Destination

Source

Prüfsumme

Abb. 6.18 Die Architektur eines typischen Pakets

Schutzabstand

224

6 Vielfachzugriff, Erstzugriff, Protokolle

forderungen v¨ollig andere sind. Datenraten von 2 bis 8 Mbit/s werden in solchen Datennetzen von bis zu 335 Mbit/s abgel¨ost. Bei der Auslegung eines Vielfachzugriffsverfahrens f u¨ r ein Satellitennetz, das mit terrestrischen Netzen gekoppelt wird, die mit Paketvermittlung arbeiten und unterschiedliche Verkehrsaufkommen bew¨altigen, wie zum Beispiel ISDN, wird man zun¨achst dynamischen Kanalzuteilungsverfahren, die sich flexibel den wechselnden Anforderungen der Teilnehmer anpassen, gegen¨uber statischen Verfahren den Vorzug geben. Eine bessere Kanalausnutzung bei unterschiedlichem Verkehrsaufkommen l¨asst sich mit Reservierungsverfahren erzielen. F¨ur satellitengest¨utzte Datennet¨ ze mit Paket-Ubertragung sind Reservierungsverfahren mit kurzer Reaktion auf ¨ Ubertragungsanforderungen gefragt. Dies ist insbesondere wegen der Satellitenverz¨ogerung von 240 ms wichtig, da sie grosse Pufferbereiche im Speicher der Knoten verlangt. In Kombination mit einer Priorit¨atssteuerung kann jedoch ein hoher Grad von Anpassung an gleichzeitig auftretende, unterschiedliche Verkehrsstr¨ome erreicht werden. 6.2.6 Zusammenfassung der Erstzugriffsverfahren Die Erstzugriffsverfahren (Access Control) sind in Abb. 6.19 zusammengefasst. Auf der oberen Ebene unterscheiden sich Festzuteilung (Pre-Assignment) und lastabh¨angige Zuteilung (Demand Assignment). Auch im Letzteren sind Reservierungen m¨oglich und sinnvoll, weil der Aufwand des Erstzugriffes entf¨allt. Auf der n¨achsten Ebene unterscheiden sich Nutzer-Anfragen (Requests) von vom Netz durchgef u¨ hrten Abfragen (Polling). Polling ist inh¨arent ineffizient: Das Erstzugriff

Pre-Assignment

DAMA*

keine Reservierung

manche Reservierungen

Anfrage (Request)

Nachfrage (Polling)

rigoroses Polling

keine Reservierungen

selektives Polling

Co-Channel

manche Reservierung

Request Channel

getaktetes ALOHA

Spread Spectrum

ungetaktetes ALOHA

Abb. 6.19 M¨ogliche Erstzugriffsverfahren * DAMA = Demand Assignment Multiple Access, lastabh¨angiger Vielfachzugriff

6.3 Multiplexing

225

Netz fragt viele umsonst, der Nutzer erleidet Totzeit im Warten auf das n¨achste Polling. Selektives Polling jener Teilnehmer, die wahrscheinlich eher Verkehr haben als andere, verbessert das Polling (ist aber nicht politicly correct). Bedarfsmeldungen (Requests) k¨onnen (1) gleichkanalig (Co-Channel) in daf u¨ r vorgesehenen Unterrahmen gesendet werden, (2) u¨ ber dedizierte Bedarfsmeldungsfrequenzen (Request Channels) abgewickelt werden, (3) u¨ ber bandgespreizte Tr¨ager (Spread Spectrum) gesendet werden, die den Wirktr¨agern u¨ berlagert werden, ohne sie zu st¨oren. Die gleichkanaligen Requests m¨ussen getaktet sein, die u¨ ber dedizierte Kan¨ale vermittelten Requests k¨onnen getaktet (Systemvorteil) oder ungetaktet sein, und die bandgespreizten Tr¨ager sind ungetaktet (ALOHA), ein Systemvorteil.

6.3 Multiplexing Vielfachzugriffs- und Multiplexverfahren f u¨ hren zu sehr a¨ hnlichen Abk¨urzungen, sind jedoch verschiedene Vorg¨ange. Der Vielfachzugriff ist in der Hochfrequenz gestaffelt, das Multiplexing im Basisband geb¨undelt. Die B¨undelung kann in der Zeit, der Frequenz oder dem Code stattfinden – a¨ hnlich wie beim Vielfachzugriff. Das in Kap. 6.1.6 beschriebene SPADE-System ist ein homogenes Netz mit gleichberechtigten Teilnehmern. Jeder sendet einen Single Channel per Carrier (SCPC). Eine andere Art von Netz ist die Sterntopologie mit der zentralen Nabe (Hub) im logischen Zentrum des Netzes, der die Aussenstellen untergeordnet sind. Hier unterscheiden sich nun die Verbindungen von der zentralen Bodenstation zu den Nutzern (Outbound) und die Verbindungen in der umgekehrten Richtung (Inbound) sehr wesentlich. Die Kommunikation auf dem Outbound Link ist im Limit mit einem gemeinsamen Tr¨ager realisierbar, w¨ahrend das Inbound Link eine Vielzahl von Tr¨agern von den (geographisch dispersen) Nutzern zur zentralen Bodenstation beinhaltet. ¨ Deshalb kann die Systembetrachtung zu unterschiedlichen Ubertragungstechniken f u¨ r diese beiden Strecken f u¨ hren. F¨ur die B¨undelung (das Multiplexen) mehrerer ¨ Ubertragungen gibt es die drei folgenden Techniken. 6.3.1 Das Zeitbu ndelungsverfahren TDD, TDM Im Zeitmultiplex (Time Division Duplex; TDD; Time Division Multiplex; TDM) werden Einzelsignale in Zeitschlitzen auf einem Hochfrequenztr¨ager angeordnet.TDM ist das Pendant zu TDMA, aber antipodal dazu: Alle Einzelsignale sind koh¨arent auf dem gemeinsamen Tr¨ager w¨ahrend bei TDMA jedes Einzelsignal inkoh¨arent von einem anderen Sender kommt. TDM ist TDMA im Durchsatz u¨ berlegen, da die von nur einem Sender auf den Tr¨ager modulierten Signale im Gegensatz zu TDMA kleineren Schutzabstand zwischen den Zeitschlitzen ben¨otigen.

226

6 Vielfachzugriff, Erstzugriff, Protokolle

¨ 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; dieser Laufzeitunterschied betr¨agt 16,5% oder 20 ms. TDM ist wesentlich einfacher zu empfangen als TDMA, bei dem der Tr¨ager in jedem Zeitschlitz neu akquiriert werden muss, in Frequenz, Phase, Bittakt und Rahmenformat. Dies f u¨ hrt zu h¨oheren Empf¨angerkosten. Deshalb verwendet man in Netzen mit einer grossen Zahl von Empf¨angern, wenn immer m¨oglich, TDM, im Rundfunk von Ton- und Fernsehprogrammen etc. 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 zur¨uckgeschickt werden k¨onnen. Dies wird mit Sprechverkehr in Systemen wie Garuda (AceS) und Thuraya etc. (TDMA-Uplink, TDM-Einzeltr¨ager-Downlink), mit Tonprogrammen bei WorldSpace (FDMA-Uplink, TDM-Downlink) und bei EUTELSAT (SkyPlexer; TDMA-Uplink, TDM-Downlink) so gemacht. 6.3.2 StatMux Neben den starr angeordneten B¨undeln im TDM-Multiplexing werden bei „StatMux“ die einzelnen Kan¨ale statistisch nach dem aktuellen Bedarf geb¨undelt. Damit werden typischerweise f u¨ nf Kan¨ale statt vier,13 statt zehn etc. u¨ bertragen.Die Netzkontrolle beobachtet denVerkehrseingang und teilt ihn dynamisch den verf u¨ gbaren Tr¨agern zu. Dieses gilt f u¨ r Sprach- und Bild¨ubertragung. 6.3.3 Das Frequenzbu ndelungsverfahren FDD, FDM Im Frequency Division Duplex (FDD; Frequency Division Multiplex; FDM) werden Einzelsignale auf einen Basisbandtr¨ager geb¨undelt (gemultiplext) und dieser moduliert und in die Hochfrequenz umgesetzt.Die Signale sind analog oder digital; ihre Modulation kann analog (z.B. FM) oder digital (nach Analog/Digital-Wandlung) sein. FDM spielt in analogen Systemen (wie z.B. bei INTELSAT und INTERSPUTNIK) eine dominierende Rolle, wird aber in neueren Systemen von TDM verdr¨angt. 6.3.3.1 COFDM Bei Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex (COFDM) werden digital modulierte Einzeltr¨ager (SCPC) so a¨ quidistant frequenzgestaffelt, dass ihre Kanalseparation ihrer normalisierten Bitrate (BR) entspricht: 100 kHz Staffelung f u¨ r 100 kbit/s Tr¨ager bei BPSK.Die Bandbreite BW ist – bei entsprechendem Roll-Off-Factor des Modulators (s. Kap. 4.9): BW =

BR . lg2 (Anzahl der Phasenzust¨ande)

(6.16)

6.3 Multiplexing

227

Die Spektrumsnebenkeulen fallen in die Nullstellen des Frequenzspektrums (sie sind orthogonal zu ihnen). Hinzu kommt, dass die digitalen Tr¨ager st¨orresistenter als analoge sind. Orthogonale Polarisationen in benachbarten Frequenzen erh¨ohen den St¨orabstand. Mit einem Mass an Codierung kann fehlerfrei u¨ bertragen 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 („Coded. . .“). So wird z.B. digitaler (Satelliten-) H¨orrundfunk (DAB-EUREKA-147) abgestrahlt. Bei DECT, das in COFDM arbeitet, h¨upft das laufende Gespr¨ach u¨ ber 90 Frequenzen und sucht sich die jeweils beste aus. Bei DAB ist es ca. 1,5 MHz bei 1,5 GHz, also 1 ‰ der Wellenl¨ange – nicht hinreichend, um Mehrwegeeffekte zu eliminieren; hierzu w¨aren > 25% Versatz der Wellenl¨ange notwendig. Es werden z.B. 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 Bitstrom ist, dass der Empf¨anger schmalbandig immer nur einen Tr¨ager (1/192 aller Programme) empfangen muss. Ein weiterer Vorteil ist die durch das Frequency Hopping (FH, im Verbund mit Interleaving und Codierung) erzielte Resistenz gegen Mehrwegeeffekte, wenn das Frequenzspektrum hinreichend gross ist. 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. Durch die Belegung beider Polarisationen ist auch die Spektrumseffizienz von COFDM begrenzt. 6.3.4 Das Codebu ndelungsverfahren CDM In Analogie zu TDM und FDM k¨onnten Signale im Code Division Multiplex (CDM) ¨ im Basisband u¨ berlagert werden, das dann fu¨ r die Ubertragung moduliert w¨urde. Hierzu m¨ussten die Signale bandgespreizt werden – typischerweise um einen Faktor 106 . Damit w¨urde die ben¨otigte Hochfrequenzbandbreite um den Faktor 106 gr¨osser. Diesem Bandbreitenanspruch steht jedoch kein Systemgewinn gegen¨uber. Deshalb wird CDM nicht verwendet. 6.3.5 INBOUND-Verkehr Der Inbound-Verkehr von den Teilnehmern zur Netzkontrolle kann auf teilnehmerindividuellen Frequenzen (FDMA) oder auf einem gemeinsamen Tr¨ager im zeitlichen Nacheinander (TDMA) erfolgen, oder auch durch Codes separiert (CDMA). ¨ CDMA liefert den kleinsten Durchsatz und ist deshalb fu¨ r die Ubertragung von gr¨osseren Verkehrsvolumina nicht geeignet. Allenfalls kleinste Bitraten, wie bei Positionsmeldungen oder beim Erstzugriff, werden mit CDMA vorteilhaft transportiert.

228

6 Vielfachzugriff, Erstzugriff, Protokolle

Die notwendige Sendeleistung ist linear proportional zur u¨ bertragenen Bitrate. Bei FDMA und CDMA sendet der Teilnehmer nur seine eigene Bitrate, w¨ahrend er bei TDMA mit der Summenbitrate arbeitet. Eine Zusammenfassung auf der Inbound-Strecke zu TDMA bedeutet eine Erh¨ohung der Teilnehmer-Sendeleistung. Ein ausschliesslich in FDMA betriebener Transponder ist intermodulationsbegrenzt. Dies spricht gegen FDMA. Es muss jedoch bedacht werden: – der Anzahl von Satelliten steht eine ungleich h¨ohere Anzahl von Teilnehmern gegen¨uber; es ist deshalb sinnvoll, einen h¨oheren Aufwand im Satelliten zu betreiben, wenn dies zu einem Systemvorteil in der grossen Zahl von Teilnehmerendger¨aten f u¨ hrt; – die Satelliten sind heute nicht mehr leistungsbegrenzt; Prim¨arleistungen von 20 kW (bei einer Lebensdauer von 20 Jahren) relativieren den Intermodulationsverlust. Die Leistungsbilanzierung der Strecke vom Satelliten zur Netzkontrolle wird nicht nur von der Satellitensendeleistung diktiert, sondern auch vom Antennengewinn der grossen zentralen Bodenstation, so dass sie – im Gegensatz zum Outbound – keinen Engpass darstellt. Deshalb ist FDMA (bis zu Single Channel Per Carrier, SCPC) m¨oglich; denkbar ist auch eine Mischkultur aus einzelnen TDMA-Tr¨agern m¨assiger Bitrate, in FDMA angeordnet. In diesem Fall h¨atte auch eine kleine Bandzuteilung f u¨ r CDMA Platz und Sinn, f u¨ r kleinste Verkehrsvolumina (extrem kurze Datenb¨undel) wie sie insb. beim Erstzugriff vorkommen. 6.3.6 OUTBOUND-Verkehr ¨ F¨ur die Ubertragung von der Basisstation zum Handy (die Aufstrecke durch die grosse Erdfunkstelle) stellt sich die Frage, ob es sinnvoll ist, das Signal im Satelliten mit einem f u¨ r die Abstrecke besser geeigneten Verfahren zu modulieren. In den meisten F¨allen ist ausserdem die bordseitige Vermittlung sinnvoll (die aktive Nutzlast). Sie kann in der H¨ochstfrequenz (zum Beispiel 20 GHz), in der Zwischenfrequenz (z.B. 1 GHz), oder im Basisband erfolgen. Die Wahl ist jedoch von der Vermittlungsstrategie abh¨angig:Vermittlung in der H¨ochst- und Zwischenfrequenz ohne Demodulation ist im Satelliten nur nach vorgegebenem Vermittlungsmuster – oder vom Boden aus gesteuert – m¨oglich. Die Vermittlung anhand der aktuellen Adresse des Signalpakets im Satelliten ist nur nach Demodulation und Lesen der Adresse im Signalbasisband m¨oglich. Der wesentlichste, zur bordseitigen Vermittlung f u¨ hrende Aspekt, ist die Anzahl der zu bedienenden Versorgungsgebiete (Spots). Muss auch nur innerhalb und zwischen n = 5 geographischen Spots vermittelt werden, sind bei transparenten Transpondern n2 = 25 Transponder notwendig. W¨aren z.B. die 200 Einzelspots bei INMARSAT-4 zu vermitteln, w¨aren 40 000 Transponder notwendig – oder eben eine bordseitige Vermittlung (On Board Processor; OBP). Da wir zuk¨unftig gezwungen sein werden,das endliche Frequenzband immer effizienter zu nutzen,um zus¨atzliche Dienste bedienen zu k¨onnen,ist die Proliferation von Spots auf der Erdoberfl¨ache (und damit die Bordvermittlung) unumg¨anglich.

¨ 6.4 Zusammenfassung Zugriffs- und Ubertragungstechniken

229

Diese Technik hat heute in Kommunikationssatelliten Einzug gehalten. Ein Beispiel hierf u¨ r ist der Advanced Communications Technology Satellite (ACTS,USA): Mit der 30 GHz Satellitenempfangsantenne von 2,2 m Durchmesser bzw. der 20 GHz Sen¨ deantenne mit 3,3 m Durchmesser werden Punktstrahler mit 0,3◦ Offnungswinkel gebildet; zehn TDMA-Burst Channels a` 20 Mbit/s f u¨ hren zum Satelliten, ein TDMBurst Channel a` 200 Mbit/s wird zur¨uckgeschickt. Der Satellitendurchsatz betr¨agt 1,2 Gbit/s. Zehn simultane Einzelkeulen k¨onnen im zeitlichen Nacheinander auf 100 vorprogrammierte Zielpunkte gerichtet werden (Flying Spot Beam). Die Basisbandvermittlung wird im 100 ns Takt, mit Verweilzeiten pro Spot (TDMA-Rahmenl¨ange) von 1 ms, durchgef u¨ hrt. ACTS k¨onnte theoretisch mit 1,2 Gbit/s / 6,4 kbit/s = 100 000 Sprechkreise (rund 200 000 Nutzer) gleichzeitig bedienen. Mit einer mittleren Nutzeraktivit¨at von 0,04 Erlang k¨onnten 5 000 000 Teilnehmer bedient werden. Auf der Basis dieser 1983er Technologie (plus dem technologischen Fortschritt der letzten 20 Jahre, und davon ausgehend, dass der Fortschritt der n¨achsten zehn Jahre nicht minder sein wird) ist es denkbar, dass mit einem System wie ACTS etwa 500 000 000 Teilnehmer bedient werden; das w¨urde den aktuellen Kapazit¨atsbedarf in Europa abdecken. Da auf dem Advanced Technology Satellite (ATS) 1973 eine 20 GHz Antenne mit 10 m Durchmesser geflogen wurde, und da der technologische Fortschritt der letzten 30 Jahre und der n¨achsten zehn Jahre hier nicht stehen bleibt, ist es denkbar, dass f u¨ r ein System wie ACTS eine im Orbit entfaltbare Antenne von 100 m Durchmesser m¨oglich sein wird, deren Gewinnhalbwertsbreite 0,01◦ ist. Mit der„gegen null gehenden“ Antennenhalbwertsbreite geht die Frequenzwiederverwendung gegen unendlich – die Frage nach dem f u¨ r eine derart grosse Anzahl von Teilnehmern notwendigen Frequenzspektrum ist eliminiert, da das Versorgungsgebiet fast auf den einzelnen Teilnehmer begrenzt ist. Damit ist auch ein inh¨arent grosses Mass an Datenschutz gegeben: Nicht in diesem Versorgungsgebiet befindliche Nutzer k¨onnen nicht mith¨oren; der hohe satellitenseitige Antennengewinn (85 dBi) erlaubt eine positive Leistungsbilanz auf der Aufstrecke ohne unzul¨assig hohe Sendeleistungen beim Nutzer (wichtig aus humanmedizinischen Gr¨unden), und schliesslich kann u¨ ber die Signallaufzeit und zweidimensionale Winkelablage des auf den Teilnehmer gerichteten Antennenstrahls (Spot Beam) die Position des Teilnehmers auf der Erde (mit einer gewissen Genauigkeit) festgestellt werden (dreidimensionale Vektorortung mit nur einem Satelliten statt eindimensionaler Skalarortung mit drei Satelliten). Wir kommen, von der Navigation ausgehend, u¨ ber die Kommunikation zur¨uck zur Positionsbestimmung.

 6.4 Zusammenfassung Zugriffs- und Ubertragungstechniken ¨ Eine optimal ausgelegte Ubertragungsund Zugriffstechnik wird verschiedene Techniken f u¨ r Outbound und Inbound einsetzen, und es erweisen sich unterschiedliche Verfahren f u¨ r Erstzugriff und Wirk¨ubertragung als optimal. Selbst innerhalb

230

6 Vielfachzugriff, Erstzugriff, Protokolle

der Outbound- und Inbound-Strecken f u¨ hren verschiedene Diensteanforderungen (und damit Bitraten) zu unterschiedlichen L¨osungen (s. Tabelle 6.2).

Tabelle 6.2 Zusammenfassung der Vielfachzugriffs- und Multiplexverfahren Verfahren FDMA Systeme Intelsat, Inmarsat, Eutelsat, Intersputnik Strecke Inbound Datenrate Mittlere Attribut vorteilhaft f¨ur Analogsysteme

TDMA CDMA Globalstar, Intelsat, Inmarsat, etc. Iridium etc.

FDM Intelsat, Inmarsat etc.

TDM Intelsat, Inmarsat, etc.

Inbound Grosse vorteilhaft in jeder Hinsicht

Outbound Beliebige zwingend f¨ur Analogsysteme

Outbound Outbound Beliebige zwingend bandbreitenf¨ur Digital- aufwendig systeme

Inbound Kleine gut f¨ur kleine Datenraten

CDM

Deshalb wird sich eine Hybridl¨osung,bestehend aus TDM-Tr¨agern m¨assiger Gr¨osse und Einzeltr¨agern (SCPC) auf der Outbound-Strecke und TDMA- und CDMA¨ Tr¨agern Inbound als systemoptimal erweisen. Tabelle 6.2 gibt eine Ubersicht u¨ ber die Verfahren und ihre Attribute. Alle heutigen Systeme (GSM, Globalstar, Iridium, INMARSAT, DECT, ACTS etc.) bedienen sich Hybridl¨osungen.

Zugriffsverfahren in der Navigation In der satellitengest¨utzten Funkortung werden an den Vielfachzugriff zwei Anforderungen gestellt: Die Anzahl der Nutzer im System soll nicht limitiert werden, und der Zugriff sollte (in vielen Anwendungen) den Nutzer nicht identifizieren. Deshalb sind leistungsf¨ahige Navigationssysteme passiv; der Nutzer sendet nicht (er greift nicht zu), sondern empf¨angt nur.

6.5 Die Statistik des Vielfachzugriffs Die meisten Informationsquellen generieren nicht stetig sondern sporadisch. Man telefoniert u¨ ber sieben Tage und alle Menschen gemittelt weniger als eine Stunde. Das entspricht einer Telefon-Belegung von 0,04 der Zeit, obwohl der Anschluss ¨ durchg¨angig verf u¨ gbar ist.Von der theoretischen Ubertragungskapazit¨ at zwischen n Teilnehmern, das heisst n · (n − 1) Leitungen, werden nur 0,04n(n − 1) ben¨otigt. Diese f u¨ r die Auslegung des Netzes grundlegende Erkenntnis wurde in den 30er Jahren von dem d¨anischen Prof. Erlang propagiert (w¨ahrend man in Deutschland f u¨ r n Teilnehmer noch lange n(n − 1) Vollzeitleitungen installierte. Prof. Erlang definierte die drei Betriebsmodi:

6.5 Die Statistik des Vielfachzugriffs

231

6.5.1 Die Erlang Betriebsmodi 6.5.1.1 Betriebsmodus Erlang A: Lost Calls Held Gespr¨ache, die nicht sofort bedient werden k¨onnen, werden f u¨ r die Dauer eines durchschnittlichen Gespr¨achs gehalten; wenn sie dann nicht bedient werden k¨onnen, wird ihre Anmeldung (Call Request) gel¨oscht. 6.5.1.2 Betriebsmodus Erlang B: Lost Calls Cleared Gespr¨ache, die nicht sofort bedient werden k¨onnen, werden sofort und ersatzlos gel¨oscht. 6.5.1.3 Betriebsmodus Erlang C: Lost Calls Delayed Gespr¨ache, die nicht sofort bedient werden k¨onnen, werden so lange gehalten, bis sie bedient werden k¨onnen. 6.5.1.4 Fallbeispiel zum Grade of Service, Lines und Trunks Um zum Beispiel 100 Telefonanschl¨usse (s. Abb. 6.21) a` 0,04 Erlang (E) in einem Stadtviertel mit der Aussenwelt zu verbinden (das heisst, das Stadtviertel mit 4,00 E zu versorgen), m¨ussen neun Trunks zu diesem Viertel gelegt werden. Dann ist die Nichtverf u¨ gbarkeit 1/50 (Grade of Service 1/50); nur bei jedem 50.Anrufversuch ist das Netz blockiert.

Abb. 6.20 Der Teilnehmeranschluss und das Netz * CT = Centre Telephonique, die Vermittlung

W¨urden in dem Stadtviertel 200 (statt 100) Telefonanschl¨usse ben¨otigt,also acht Erlang, dann reichten aufgrund des statistischen Verhaltens der Sprechkreisbelegung 14 (statt 18) Verbindungen (Trunks; Tabelle 6.3; „one in 50“). Mit linear zunehmender Anzahl der Anschl¨usse verhilft die Statistik zu einer weniger als linear ansteigenden Anzahl von Sprechkreisen. Eine M¨oglichkeit, die

232

6 Vielfachzugriff, Erstzugriff, Protokolle Tabelle 6.3 Trunks versus Erlang f¨ur Nichtverf¨ugbarkeit 1/50

Trunks 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Erlang 0,02 0,22 0,60 1,09 1,66 2,28 2,94 3,63 4,34 5,08

Trunks 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Erlang 5,84 6,62 7,41 8,20 9,01 9,83 10,66 11,49 12,33 13,18

Trunks 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

Erlang 14,04 14,90 15,76 16,63 17,50 18,38 19,26 20,15 21,04 21,93

Trunks 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40

Erlang 22,83 23,73 24,63 25,53 26,43 27,34 28,25 29,17 30,08 31,00

Trunks 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50

Erlang 31,92 32,84 33,76 34,68 35,61 36,53 37,46 38,39 39,32 40,25

acht Verbindungen zu schaffen ist, die Stadt kosstpielig aufzugraben. Eine Alternative ist, kurzfristig VSATs8 aufzustellen und den Betrieb in k¨urzester Zeit betriebswirtschaftlich aufzunehmen (siehe VSATs). 6.5.1.5 Fallbeispiel zur Peak-to-Average Verkehrsdichte Wenn es in der Bundesrepublik 40 Mio Telefonhauptanschl¨usse g¨abe (80 Mio Telefonanschl¨usse einschl. Nebenstellen) und diese mit 0,04 E belegt w¨aren, dann entspr¨ache dies einer durchschnittlichen Belegung von 1,6 Mio E. Da die Belegung in den Spitzenzeiten zehn Mal so gross ist, betr¨agt der Spitzenverkehr 16 Mio E. Wenn alle Gespr¨ache (2 ∗ 64 + 16) kbit/s einnehmen w¨urden, erg¨abe dies einen Bedarf von 2,3 Gbit/s.

6.6 Protokolle Um eine st¨orungsfreie Rechner-zu-Rechner Kommunikation (IP-Verkehr) zu erm¨oglichen, m¨ussen – a¨ hnlich wie bei der Mensch-zu-Mensch Kommunikation – feste Vereinbarungen eingehalten werden. Diese sind die Protokolle. Rechnernetze erm¨oglichen neue M¨oglichkeiten der Datenverarbeitung und insbesondere Datenaustausch von entfernten, aber kooperierenden Einrichtungen in Wirtschaft,Verwaltung, Milit¨ar und Forschung. Ausserdem ergibt sich eine bessere Nutzung der Rechnerkapazit¨at wenn Software-Pakete nur auf einem Rechner implementiert und einer grossen Zahl von Nutzern zug¨anglich gemacht werden. Das internationale Standardisierungsgremium ISO (Internatinal Standard Organisation) legt Normungen f u¨ r die neue Technik fest. Es hat ein Modell zur Beschreibung der Kommunikation in„Offenen Systemen“ erarbeitet,das OSI- 7-Schichten-Modell (OSI = Open System Interconnection; s. Abb. 6.21). Das ISO-OSI-Modell ist eine gute Grundlage f u¨ r digitale Netze. Zum ersten mal in der Geschichte der Technik wurden verbindliche Normungen vor Erprobung und Einf u¨ hrung der neuen Technik festgelegt. 8

VSAT = Very Small Aperture Terminal, Kleinsterdfunkstellen

6.6 Protokolle

233

Die Funktionen dieser OSI-Schichten sind: ¨ Schicht 1 Physical Layer: die Bit-Ubertragung: Art und Anzahl von Leitungen, elektrische Parameter und LeitungscoDraht, Faser des (wie HDB3 etc. X.21), to activate, maintain, oder Funk and deactivate the physical connection ¨ die Ubertragungssicherung, in der die Bit zu Schicht 2 das Link: logischen Paketen (z.B. HDLC-Frames) grupSynchronisation piert und fehlercodiert werden (z.B. X.75); der und point-to-point forward error control Erstzugriff, Token-Ring etc.); Koppelelemente k¨onnen schon auf dem Link Layer (Bridges, Br¨ucken in Netzen gleicher Art und gleicher Bitrate) verbinden die Vermittlung mit Wegsteuerung; KoppelSchicht 3 der Network-Layer: elemente k¨onnen mit Routing-Tabellen, Br¨udas Routing cken und Warteschlangenverwaltung verbinlogischer den; MultiProtocolRouter verbinden unterVerbindungen schiedliche Netze (Token-Ring, Ethernet etc.); HybridRouter routen Frames anderer Protokolle u¨ ber eine „Br¨ucke“: Brouters Schicht 4 der Transport: der Transport des Informationsflusses von A End-to-End Acks nach B, einschl. Multiplexing und Erzeugung und Auswertung von End-to-End-Qualit¨at und End-to-End-Quittungen die Steuerung mit Berechtigungspr¨ufung, VerSchicht 5 die Session: bindungsaufbau (Password Check und z.B. VerbindungsaufLeast Cost Routing),Synchronisierung und Verund -abbau bindungsabbau der Duplex- oder Multiplexsession Schicht 6 die Presentation; die Darstellung, die die u¨ bertragene Daten-, Multi-media Audio-, Video-Darstellung bestimmt und gegebenenfalls formatanpasst Schicht 7 die Application; die Anwendung, die Arbeit mit CAD/CAM (siez.B. E-mail, he FTP), das Resource Management for File Transfer, Distributed Processing Der Weg von Nutzer A zu Nutzer B f u¨ hrt die linke S¨aule herunter, durch den Physical Layer und die rechte Seite wieder hinauf. Koppelelemente k¨onnen schon auf dem Link Layer (Bridges, Br¨ucken in Netzen gleicher Art und gleicher Bitrate) oder sogar dem Network Layer (Routers, Br¨ucken mit Routing-Tabellen und Warteschlangenverwaltung) verbinden. Router verbinden auch unterschiedliche Netze (z.B. Token-Ring und Ethernet) und verschiedene Bitraten. Sehr einfach ausgedr¨uckt ist das 7-Schichten-Model ein Gesch¨aftshaus mit sieben Stockwerken, die Kellergeschosse mitgez¨ahlt. Im Keller sind die Kabel, im Parterre die die Kabel¨ubertragungen u¨ berwachenden Techniker, im ersten Oberge¨ schoss die „Kapit¨ane“ der Ubertragung und die Interfaces, im zweiten die e-mail

234

7 6 5 4

6 Vielfachzugriff, Erstzugriff, Protokolle

Application Control

Anwendungssteuerung Darstellungsteuerung

Presentation Control

Verbindungssteuerung

Session Control End-to-End Control

Transportsteuerung

3

Netzsteuerung

Router

2

Leitungssteuerung

Bridge

1

Physikalisches Link

Link

Network Level Link Control Physical Link

Abb. 6.21 Das Referenzmodell f¨ur Open Systems Interconnection (OSI) der International Standards Organisation (ISO)

Tools, Telework, Computer Security, Authentication and Payment. Und ganz oben tanzen die Nutzer auf der Dachterrasse mit ihren Anwendungen. 6.6.1 Paketvermittlung Die Rechnernetze mit ihren unterschiedlichen Verkehrsaufkommen bringen eine rasche Zunahme des Volumens der Daten¨ubertragung. So haben z.B. die Ein-/Ausgabevorg¨ange bei interaktiver Terminal-Rechner-Kommunikation einen ¨ sehr wechselhaften Bedarf an Ubertragungskapazit¨ at. Die effektive Nutzung der ¨ Ubertragungswege bei den verschiedenen Verkehrsaufkommen macht die Paketvermittlung zunehmend sinnvoll. Das Prinzip der Paketvermittlung ist schon sehr alt. Sie ergab sich aus dem ¨ Zwang, ein Ubertragungssystem wie z.B. die Postkutsche von Florenz u¨ ber Andechs nach Augsburg in der „guten alten Zeit“ f u¨ r Postsendungen gemeinsam zu nutzen. Die Sendungen (Pakete) wurden an den Haltestellen weitervermittelt. Auch die ersten Telegraphienetze waren paketvermittelnd (von Bahnstation zu Bahnstation). Erst die Einf u¨ hrung von Echtzeitkommunikation wie dem Fernspre¨ chen, machte das Durchschalten von Ubertragungsstrecken notwendig (und im Laufe der Entwicklung m¨oglich). Als Begr¨under der modernen Paketvermittlung gilt Paul Baran von der Rand Corp. mit seiner Studie u¨ ber paketvermittelnde Kommunikationsnetze f u¨ r die US Air Force Anfang der 60er Jahre. Die Nachricht wird in Informationsbl¨ocke segmentiert, mit Steuerdaten (Header) versehen, und (ohne feste Durchschaltung einer Verbindung wie bei der Leitungsvermittlung) durch das Netz geschleust.In Paul Barans Arbeit standen zwei Punkte im Vordergrund: – Hohe Zuverl¨assigkeit durch flexible Routenwahl der einzelnen Informationspakete (selbst wenn Einzelstrecken unterbrochen sind, findet das Paket einen Weg zum Adressaten), – Abh¨orsicherheit auf der Strecke durch das Vermitteln der Pakete u¨ ber verschie¨ dene Ubertragungswege, so dass erst an der Endeinrichtung, die die Pakete

6.6 Protokolle

235

Daten Steuerteil Abb. 6.22 Prinzip der Paketvermittlung

wieder zusammensetzt, die vollst¨andige Information vorliegt; h¨ort der Gegner irgendwo mit, empf¨angt er nur ein Fragment der Nachricht. Ein dritter,sehr wichtiger Gesichtspunkt gesellte sich im Lauf der weiteren Entwick¨ lung hinzu, n¨amlich die effektive Nutzung der Ubertragungseinrichtungen durch ihre dynamische Zuteilung. Wie in Abb. 6.22 angedeutet, k¨onnen Pakete, die zu unterschiedlichen Verbindungen geh¨oren, unmittelbar hintereinander u¨ ber dieselbe Leitung u¨ bertragen werden. Der wesentliche Unterschied zwischen Paketvermittlung nach dem Prinzip des Datagramms und der virtuellen Verbindung (Virtual Circuit) besteht in der Adressierung und Sequenzierung: Ein Datagramm ist ein Datenpaket, dessen Steuerkopf die komplette Sender- und Empf¨angeradresse enth¨alt; jeder Netzknotenrechner interpretiert diese Adressen und sendet das Paket anhand seiner Routing-Tabellen in Richtung Empf¨anger. Wird eine Folge von Datagrammen gesendet (ein „Strom“), so laufen alle unabh¨angig – eventuell auf getrennten Wegen - zum Empf¨anger und kommen dort im Allgemeinen nicht in der urspr¨unglichen Reihenfolge (out of sequence) an. Bei einer virtuellen Verbindung wird durch ein explizites OPEN-Kommando eine logische Verbindung zwischen Sender und Empf¨anger durch die Netzknotenrechner aufgebaut. Diese ist durch eine Leitungsnummer und entsprechende Eintr¨age in die Wegeauswahl-Tabellen der Rechner gekennzeichnet. Alle Datenpakete der Sendung laufen dann u¨ ber diese Leitung, wobei auch ihre Reihenfolge ¨ erhalten bleibt. Nach Ende der Ubertragung wird die Leitung durch ein explizites CLOSE-Kommando abgebaut. Der Vorteil der virtuellen Verbindung liegt vor allem in der Einsparung von Kontrollinformation im Steuerteil, der nicht die vollst¨andige Zielinformation, sondern nur eine Leitungsnummer enth¨alt. Der Ausfall eines Knotens oder einer Strecke im vorgegebenen Weg hat dann den Abbruch der Verbindung zur Folge. Dies deutet bereits auf die Vorteile einer verbindungsfreien L¨osung hin, die h¨ohere Flexibilit¨at bei der Wegesuche erlaubt und damit vor allem fu¨ r Netze mit unsicheren ¨ Ubertragungsstrecken (z.B. Funkkan¨ale) und mobilen Teilnehmern geeignet ist.

236

6 Vielfachzugriff, Erstzugriff, Protokolle

In den letzten Jahren wurde eine Reihe von paketvermittelten Computernetzen aufgebaut; hier sind insb. die Store and Forward-Netze, wie z.B. das ARPANET und die verschiedenen X.25-Netze zu nennen. Die Merkmale dieser Netze sind die Vermaschung der Netzknoten und ihre weite geographische Ausdehnung. Die Local Area Networks (wie z.B. ETHERNET) gestatten hohe Datenraten u¨ ber kurze Verbindungen. Eine Vielzahl von Netzprodukten wird heute angeboten, die a¨ hnliche Leistungsmerkmale aufweisen, jedoch inkompatibel sind; die Kopplung der Netze und die Bereitstellung netzunabh¨angiger Dienste (Filetransfer, virtuelle Terminals, e-mail etc.), d.h. die Interoperabilit¨at der Netze, ist noch ein Problem. 6.6.2 Internet und andere Netze Seit den 70er-Jahren hat das US-Verteidigungsministerium u¨ ber die DARPA die Interoperabilit¨at von Netzen im Rahmen des INTERNET-Projekts untersucht. So wurde das Testbed INTERNET (ehem. CATENET) aus ca. 100 verbundenen Computernetzen teils stark unterschiedlicher Architektur betrieben. Diese DARPA finanzierten Arbeiten dienten dem Ziel, die Interoperabilit¨at der unterschiedlichen Netze zu erreichen; das Spektrum der verwendeten Netzarchitekturen reichte vom klassischen Store and Forward-Netz (z.B. ARPANET) u¨ ber Local Area Networks (z.B. ETHERNET, PRONET) zu Broadcast Networks (SRI Packet Radio) und zu Satellitennetzen (SATNET, WIDEBAND). Anfang der 80er-Jahre ging das INTERNET via INTELSAT mit 56 kB/s in Betrieb, mit Gateways am MIT (US), RSRE (UK) und DFVLR (Oberpfaffenhofen), lange vor dem terrestrischen IP. 6.6.3 Die Protokolle TCP und IP Das Transport Control Protocol (TCP) ist ein verbindungsorientiertes End-zu- EndProtokoll, das zwischen zwei kommunizierenden Prozessen auf unterschiedlichen Rechnern abl¨auft. Ausser dem Verbindungsauf- und -abbau u¨ bernimmt TCP auch die Flusssteuerung und Fehler¨uberwachung. TCP stellt die Netzschnittstelle fu¨ r Anwendungsprogramme bereit und wird von diesen gerufen, um Daten durch das Netz zu u¨ bertragen. Alle netzbezogenen Dienste des INTERNET (die so genannte TCP/IP-Welt), wie zum Beispiel Dateitransfer, e-Mail setzen diese TCP-Schnittstelle voraus. Dabei ¨ st¨utzt sich TCP auf das INTERNET-Protocol (IP), das die Ubertragung bewerkstelligt. Nur sehr wenige Voraussetzungen wurden bez. der Zuverl¨assigkeit der Protokollebenen unterhalb von TCP gemacht. TCP ist in der Lage, u¨ ber einem weiten Spektrum von Kommunikationssystemen zu operieren, angefangen von durchgeschalteten Leitungen bis zu verbindungs- oder paketvermittelnden Netzen. Als reines Datagram-Protokoll weisst IP keine Verbindungsorientierung auf. Dies bietet in einer Umwelt,die besonderen Wert auf Sicherheit,Zuverl¨assigkeit,dynamische Rekonfigurierbarkeit und mobile Anwendungen legt,Vorteile gegen¨uber einem verbindungsorientierten Netz. Dabei darf IP nicht als ein eigenes Link LevelProtokoll gesehen werden, das die Basis f u¨ r ein lokales Netz darstellt, sondern als ein netzunabh¨angiges Protokoll, das direkt auf lokale Netze aufsetzt. Die Aufgaben

6.6 Protokolle

237

von IP sind die Wegeauswahl sowie gegebenenfalls die Anpassung an die maximale Paketl¨ange des Netzes. Notfalls m¨ussen die maximale Paketl¨ange des Netzes u¨ berschreitende Datagramme vor Netzeintritt zerlegt werden. Empfangsseitig muss IP die Datagrammfragmente vor der Weitergabe an TCP wieder zusammenf u¨ gen. Die Anpassung der lokalen Netze und die Weiterleitung der IP-Datagramme von Netz zu Netz erfordern ¨ spezielle Uberg¨ ange, sog. Gateways zwischen den Netzen. 6.6.4 Caching, Streaming and Spooˇng Im Gegensatz zum Herunterladen einzelner Dateien (Downloading), werden beim Caching (zum Beispiel u¨ ber Nacht) so grosse Datenmengen vom INTERNET in den PC gebracht und gespeichert, wie sie f u¨ r die Arbeit am n¨achsten Tag gebraucht werden. Beim Streaming werden Audio, Video, Multimedia etc. in Echtzeit direkt zum Nutzer geleitet, ohne Zwischenspeicherung im Server und ohne Endspeicherung beim Nutzer.Webcasting sind Broadcasts oder Multicasts von Live Events oder Stored Contents u¨ ber INTERNET, typischerweise On Demand. Da die Verbindungen im terrestrischen INTERNET u¨ ber eine Vielzahl von Knoten und Router Hops gehen kann, best¨atigt das TCP vom Empf¨anger dem Sender den fehlerfreien Empfang des Datenstroms, Rahmen f u¨ r Rahmen, ein f u¨ r die ¨ Ubertragung SMS-artiger Einzelpakete sinnvolles Protokoll. Bei Caching und Streaming u¨ ber Satellit w¨urde dieses Protokoll zu zu grossen Zeitverz¨ogerungen f u¨ hren, und die kontinuierliche Best¨atigung ist auf Grund der hohen Qualit¨at der Satellitenstrecke auch gar nicht notwenig, und wenn mal ein Paket fehlerhaft ist, geht das im Audio- oder Video-Stream (per Muting in Audio oder Freeze Frame in Video etc.) unter. Deswegen vermeidet man hier diese Wartezeiten indem man dem TCP Empfangsbet¨atigungen im Voraus vorgaukelt; dies nennt man Spoofing (beschwindeln). In der Weise wie Audio und Video zunehmend komprimiert werden, wachsen die Anforderungen an die Content Delivery Networks (CDN) zur kompletten und ¨ fehlerfreien Ubertragung. Hierzu wurde das Multicast Diffusion Protocol (MDP) entwickelt, das einen separaten Retourkanal fu¨ r die Fehlermeldungen ben¨utzt. 6.6.5 ITU- und ISO-Standards Die Arbeiten der ITU an Standards f u¨ r Open Systems Interconnection streben voll kompatible Netzarchitekturen an, u¨ berlassen also die lokale Netzarchitektur nicht dem Hersteller oder dem Netzbetreiber. Es wurden als erstes die drei unteren Ebenen von Store and Forward-Netzen standardisiert. Die Normen X.25 bzw. X.75 wurden zunehmend von den Postverwaltungen in Europa (z.B. Datex-P der Deutschen Bundespost) und auch kommerziellen Netzbetreibern in den USA (Telnet, Tymnet) angeboten. Es sind verbindungsorientierte Netzzugangsprotokolle (HOST-IMPProtocols), die auf virtuellen Verbindungen beruhen. X.75 ist der entsprechende Standard fu¨ r ein IMP-IMP-Protokoll zur Kopplung von Netzen. Mittlerweile sind

238

6 Vielfachzugriff, Erstzugriff, Protokolle

Netzprodukte wie. z.B. die Local Area Networks oder auch satellitengest¨utzte Netze entstanden, die schlecht in die X.25-Architektur passen. Der Durchsatz im Netz h¨angt wesentlich davon ab, wie viel Overhead im Rahmen ist. Umgekehrt, nachdem dem Rahmen ein gewisser Steuerteil notwendigerweise vorangeht, ergibt sich der Durchsatz daraus, wie viel Information diesem Steuerteil folgt. 6.6.6 Packet Satellite Network Schon 1975 wurde von der DARPA das Projekt SATNET zur Entwicklung eines paketvermittelnden Satellitennetzes aufgebaut. Es verband Rechnernetze in USA und Europa und war ein wichtiges Mitglied der Internet-Familie und ein Fundament der amerikanisch-europ¨aischen Zusammenarbeit auf dem Weg zum IP. In Europa teilten sich mehrere INTELSAT-Stationen einen SPADE-Kanal: Goonhilly (UK), Raisting (D), Fucino (I). Ziel war die Entwicklung eines Vielfachzugriffsverfahrens f u¨ r Paketvermittlung und die Interoperabilit¨at von terrestrischen und satellitengest¨utzten Netzen. Nach der IP/TCP-Philosophie ist es die Aufgabe eines Rechnernetzes,ein Datenpaket gem¨ass der Information im IP-Header von einem Host zum anderen zu leiten. Wie das Netz dies m¨oglichst sinnvoll zustande bringt, soll nicht durch unn¨otige Reglementierungen eingeschr¨ankt werden. Eine optimale L¨osung orientiert sich stets an der gegebenen Netzwerkarchitektur und ist umso leichter anzun¨ahern, je homogener das Netz ist. Bei einem Satellitennetz heisst dies, dass s¨amtliche Knotenrechner Satellitenknoten sein sollen, an die spezielle Satellite-Hosts angeschlossen sind. Mit Ausnahme von Hosts, die sich in einer Erdfunkstelle und damit direkt beim Satellitenknoten (Satellite Interface Message Processor, SIMP) befinden, werden dies Gateways sein, die das Satellitennetz gegen terrestrische Netze abschliessen. Eine In¨ homogenit¨at, bei der Ubertragungen u¨ ber Satelliten als auch terrestrisch m¨oglich sind, wird damit vermieden. Ein SIMP enth¨alt zwei Protokollmodule, die schlecht mit den unteren drei Ebenen des ISO-OSI-Modells zu beschreiben sind, da man bei dessen Entwicklung von Punkt-zu-Punkt-Verbindungen eines Store-and-Forward-Netzes ausgegangen ist. Die beiden Module sind das Kanalprotokoll (Channel Protocol; CP), das den SIMP zu SIMP-Verkehr u¨ ber Satellit regelt, und das Host-Zugangsprotokoll (Host Access Protocol; HAP), das mit seinem Gegenst¨uck im Gateway bzw. lokalen Host f u¨ r einen ¨ effektiven Ubergang zum Satellitenkanal sorgt. Wenn man von einem Satellitenka¨ nal mit globaler Ausleuchtung und der geostation¨aren Ubertragungszeit ausgeht, hat das Kanalprotokoll folgende Aufgaben: – die Kapazit¨at des Satellitenkanals wirkungsvoll durch ein dynamisches Vielfachzugriffsverfahren unter den einzelnen Knoten aufzuteilen; – die unterschiedlichen Anforderungen an die Verz¨ogerungszeit der Pakete zu ber¨ucksichtigen; – den Rundfunkcharakter des Kanals fu¨ r Mehradress¨ubertragungen und Netzu¨ berwachung zu nutzten.

6.6 Protokolle

239

Dem Hostzugangsprotokoll fallen im Rahmen des Kanalprotokolls die Funktionen zu: – Um den Satellitenkanal nicht unn¨otig zu belasten, m¨ussen Flusskontrollfunktionen erf u¨ llt sein; da die Antwortzeiten von Host zu Host via Satellit relativ hoch sind, w¨aren Host zu Host Flusskontrollen tr¨age; die M¨oglichkeiten, u¨ ber einen Kanal mit Rundfunkcharakter Netzzustandsinformationen zu sammeln, erlauben aber eine R¨uckkopplung geringer Verz¨ogerung von SIMP zu Host; so kann der SIMP ein vom Host angebotenes Paket mit der Meldung zur¨uckweisen, dass Empf¨anger-Host oder -SIMP gerade keine Empfangspuffer verf u¨ gbar haben, oder Pakete dieser Priorit¨at momentan nicht u¨ bertragen werden; – die im IP-Header angegebenen abstrakten Werte, die Art des gew¨unschten Type of Service, m¨ussen auf die konkreten Parameter des Satellitennetzes abgebildet werden; – im HAP sind die Funktionen Mehradressverkehr realisiert; durch ausgetauschte Kontrollinformationen bilden die Hosts Gruppenadressen, so dass Pakete an diese Gruppe nur einmal u¨ ber den Satellitenkanal u¨ bertragen werden m¨ussen. Bei Verbindungen zu entfernt gelegenen Host-Gateways, die in g¨unstiger Lage zum angeschlossenen Rechnernetz sind, st¨utzt sich das HAP auf ein Link-Level- Protocol ab. 6.6.7 Das Kanalprotokoll PODA Das Reservierungsverfahren Priority Oriented Demand Assignment bedient un¨ terschiedliche Anforderungen an die Ubertragungsverz¨ ogerung; sie hat einen Informations- und einen Kontrollunterrahmen. Die kleinste Zeiteinheit ist der Virtual Slot (VS), die Dauer eines Kontrollpakets. Bei 64 kbit/s ist dieser Slot 10,24 ms lang. Die Rahmenl¨ange kann in ganzzahligen Vielfachen des VS variieren. Meist wird eine Rahmenl¨ange von 31 VS, ca. 317 ms, verwendet, wobei vier VS auf den Kontrollunterrahmen entfallen (s. Abb. 6.23). Im Kontrollunterrahmen setzen die Teilnehmer ihre Reservierungen. Kontrollpakete werden immer zu Beginn eines VS gesendet und f u¨ llen diesen wegen ihrer definierten L¨ange stets aus. Im Gegensatz dazu ist die L¨ange von Informationspaketen in Grenzen variabel und ihr Sendebeginn stimmt in der Regel nur am PODA-Rahmen Informationsunterrahmen

VS

Steuerunterrahmen

VS

Informationspaket Präambel

SOM

SYN SYN DLE STX

VS = Virtual Slot SOM = Start Of Message (Beginn der Nachricht)

Nachricht

DLE ETX Prüfsumme

Header

Abb. 6.23 Der PODA-Zeitrahmen

Daten

Schutzabstand

Steuerpaket

240

6 Vielfachzugriff, Erstzugriff, Protokolle Streamreservierungsprozedur Dringlichkeit Eingangsprozedur

Eingangswarteschlange

Dringlichkeit Datagramreservierungsprozedur

Warteschlange für Reservierungen

Kanalzuteilung

Globale Warteschlange

Abb. 6.24 Bearbeitung von Reservierungen

Rahmenanfang mit den VS-Grenzen u¨ berein; ihre l¨uckenlose Zuteilung f u¨ hrt zu einer guten Nutzung der Kanalzeit. Es gibt zwei M¨oglichkeiten, den Zugriff auf den Kontrollunterrahmen zu regeln. Entweder wird jedem Teilnehmer ein Slot fest zugeordnet (Fixed-PODA; FPODA), oder die Teilnehmer greifen per ALOHA auf einen Slot zu (Contention-PODA; CPODA). Im Host-Input-Module werden die Header mit einer Pr¨ufsumme abgesichert und dann die Pakete gem¨ass ihrer Dringlichkeit in die Warteschlange „QI“ f u¨ r Reservierungen eingef u¨ gt (s. Abb. 6.24). Es bestehen zwei M¨oglichkeiten der Reservierung: Die besprochene explizite Reservierung im Kontrollunterrahmen und die M¨oglichkeit, im Header eines Informationspakets, huckepack Reservierungen zu machen (Piggybacking), mit der Gefahr der Kollision. Ein Teilnehmer, der f u¨ r die anstehende Reservierung innerhalb ausreichend kurzer Zeit diese M¨oglichkeit hat, wird auf eine explizite Reservierung verzichten (und den Kontrollunterrahmen entlasten). Teilnehmern mit starkem Verkehrsaufkommen bietet sich durch Piggybacking ein Vorteil, da sie in k¨urzeren Abst¨anden Reservierungen machen k¨onnen. Das Prinzip der Fairness wird dadurch zwar zugunsten einer guten Kanalausnutzung angekratzt,doch haben Teilnehmer mit schwachem Verkehrsaufkommen die Reservierungsm¨oglichkeit im Kontrollunterrahmen. Nach erfolgreicher Reservierung wird das Paket in die globale Warteschlange eingereiht. Auch diese wird nach dem Prinzip geordnet: Das dringlichste Paket zuerst. Im Informationsunterrahmen wird vor jedem m¨oglichen Sendezeitpunkt die globale Warteschlange abgearbeitet, neue Reservierungen eingef u¨ gt und das dringlichste Paket ausgew¨ahlt. Es wird gepr¨uft, ob es noch in den aktuellen Informationsrahmen passt und dann u¨ ber den Kanal gesendet. Eine Zuordnung von Informationspaket zum Sendezeitpunkt innerhalb des ¨ Rahmens findet erst unmittelbar vor Beginn der Ubertragung statt. So ist es zum Beispiel m¨oglich, dass ein Paket unmittelbar nach Auswertung seiner Reservierung wegen seiner hohen Dringlichkeit an die Spitze der globalen Warteschlange gesetzt und sofort priorit¨ar gesendet wird - mit der Minimum-Verz¨ogerung von zweimal der Signallaufzeit eines geostation¨aren Satelliten,den Round Trip Time (RTT; s.Abb. 6.25). F¨ur Anwendungen mit vorhersehbarem, etwa konstantem Kanalzeitbedarf, die noch h¨arteren Echtzeitanforderungen unterliegen als z.B. paketierte Sprache, sieht

6.6 Protokolle

241

Abb. 6.25 Zeitlicher Ablauf des Kanalzugriffs

PODA die M¨oglichkeit des Stream Traffics vor. Bei einem Stream werden nach einer einmaligen Reservierung in zeitlich a¨ quidistanten Abst¨anden weitere Reservierungen automatisch in die globale Warteschlange eingereiht. Dort werden sie wie Datagramm-Reservierungen behandelt und konkurrieren mit diesen nach dem Prinzip der Dringlichkeit um Sendezeit. Dies kann zu Abweichungen von der spezifizierten Intervallzeit bzw. zu einem Aussetzen des Streams f u¨ hren, abh¨angig von seiner Priorit¨at. ¨ Bei SATNET wurde der Ubertragung paketierter Sprache grosses Gewicht verliehen. Die Integration von Sprachkan¨alen in Rechnernetze stellt eine Alternative zum ISDN (Integrated Services Digital Network) dar (bei ISDN werden Rechnernetze in traditionelle Fernsprechnetze integriert, wobei die Vorteile der Paketvermittlung verloren gehen). 6.6.8 ATM Die Pakete (Zellen) beim Asynchroneous Transfer Mode (ATM) beinhalten (konstant) 53 Oktette, 5 fu¨ r den Steuerteil (10%!) und 48 (mindestens 47) fu¨ r die Nutzlast.Im Sinne der Paketvermittlung werden Zellen bedarfsgerecht ausgetauscht und ¨ die Ubertragungswege optimal genutzt. So sind variable Bitraten und asymmetrische Verbindungen m¨oglich (10 kbit/s vom Nutzer zum Videodienst, 10 Mbit/s retour). Punkt-zu-Mehrpunktverbindungen (Broadcast) sind m¨oglich, und das ATM ist auch satellitentauglich. Im Gegensatz zur Paketvermittlung verzichtet ATM auf die abschnittsweise ¨ Fehlerkorrektur der Zellen; damit lassen sich h¨ohere Ubertragungsraten (bis 600 ¨ Mbit/s) erzielen. Das Ubertragungsprotokoll ist Teil der Plesiochronen Digitalen Hierarchie (PDH). Die Zusammensetzung der ATM-Laufzeit ist in Tabelle 6.4 gezeigt. Selbst wenn die Vermittlungszeit in den Knoten im ms-Bereich liegt, erreicht die Summe der Laufzeitanteile die Gr¨ossenordnung, die man auch bei GEOs vorfindet. Es ist deshalb Vorsicht geboten, welche Dienste man mit ATM u¨ ber geostation¨are Satelliten betreibt; w¨ahrend Video on Demand problemlos ist, w¨are Sprach¨ubertragung ineffizient.

242

6 Vielfachzugriff, Erstzugriff, Protokolle Tabelle 6.4 Die Zusammensetzung der ATM-Laufzeit

Verbindungsaufbauzeit Multiplexbildung:

1000 ms Rahmentakt (T3, USA, 34 Mbit/s; IEEE 802.6) 107 ms Rahmentakt (E3, Europa, 34 Mbit/s)

0,13 s

Paketisierungsverz¨ogerung

10 ms

Sendeseitige Nebenstellenanlage

5 ms

ATM-Konzentrator

11 ms

ATM-Cross Connector

7 ms

Codierung

2 ms

Wartespeicher

4 ms

Vermittlungszeit ¨ Ubertragungslaufzeit

5 ms

Varianz der Vermittlungszeit

35 ms

2 ms

Decodierung

2 ms

Empfangs-Nebenstellenanlage

5 ms

Entpaketisierung

20 ms

Summe ohne Verbindungsaufbau 108 ms

6.7 Zusammenfassung F¨ur den Vielfachzugriff bieten sich Zeit, Frequenz, Code, Raum und Polarisation an. Raum und Polarisation k¨onnen mit Zeit, Frequenz und Code zusammenarbeiten. Zeitaufteilung in Raum f u¨ hrt zur h¨ochsten Effizienzen der Nutzung des Frequenzspektrums, w¨ahrend FDMA und CDMA durch Intermodulation begrenzt werden. Mit der Unterteilung von Zeit- und Codeverfahren in einzelne FDMA-Tr¨ager (FDMA/ TDMA und -CDMA) reduziert man die Bitrate beim Nutzer – und damit die Kosten, generiert aber Intermodulation im Satelliten und reduziert damit die Systemkapazit¨at. Das TDMA/CDMA-Verfahren, terrestrisch in Universal Mobile Telecommunications Services (UMTS) verwendet, verbindet die Vorteile von TDMA mit denen von CDMA. Die ultimative Zugriffstechnik ist SDMA, die durch stete Verkleinerung der Zellen die Frequenz¨okonomie nahezu unendlich steigern kann. ¨ F¨ur die B¨undelung mehrerer Gespr¨ache oder Daten auf eine Ubertragungsstrecke bieten sich ebenfalls Zeit, Frequenz und im Prinzip Code als Multiplextechnik an. Hier scheidet CDM de facto aus und bietet TDM wiederum – wie schon beim Vielfachzugriff – vor FDM die h¨ohere Kapazit¨at, weil es intermodulationsfrei ist. F¨ur den Erstzugriff bieten sich verschiedene Verfahren an. Was immer an ¨ Ubertragung programmiert werden kann (Reservierungen), entlastet die aktuelle Kanalzuteilung. F¨ur die lastabh¨angige Kapazit¨atszuteilung k¨onnen Bedarfsmeldungen u¨ ber dedizierte Anmeldekan¨ale, aber auch u¨ ber mit dem Wirkbetrieb geteilte Wege geleitet werden. F¨ur die Auslegung von Verbindungen ist die Statistik des Verkehrs wichtig. F¨ur das Verkehrsvolumen 1 Erlang ben¨otigt man 4 Sprechkreise, f u¨ r 40 Erlang nur 50 Sprechkreise.

6.7 Zusammenfassung

243

Literaturhinweise Spilker, Jr., James J.,„Digital Communications by Satellite“, Prentice Hall, Electrical Engineering Series, New Jersey, 1995 Berlin, Peter,„The Geostationary Applications Satellites“; Cambridge University Press, Cambridge, 1988 Voges, Edgar,„Hochfrequenztechnik Band 2 – Leistungsr¨ohren,Antennen und Funk¨ubertragungen“, H¨uthig, Heidelberg, 1991 Kleinrock, Leonard,„Queuing Systems“, John Wiley and Sons, New York, 1996 Freemann, Roger, L.,„Telecommunications Transmission Handbook“; John Wiley, New York, 1981

7 Die klassische Satellitenkommunikation

„Mit J.F.Kennedy und COMSAT und INTELSAT begann es, 1963, in den USA“ In der klassischen Satellitenkommunikation sind heute etwa 1000 Satelliten in der geostation¨aren Umlaufbahn, von mehr als 120 Operators betrieben und von mehreren Millionen Kundenen genutzt, eine Investition im Orbit von 100 Milliarden Euro. Die klassischen, ortsfesten Anwendungen im internationalen Rahmen (INTELSAT/PANAMSAT, SES/GLOBAL, INTERSPUTNIK, ORION etc.), regional (EUTELSAT, ARABSAT, PALAPA etc.) und national (Italsat, Hispasat, Telesat, Brasilsat, Amos, Indsat, Paksat, Thaisat, Kazsat etc.) gehen auf den Communications Act von J.F. Kennedy von 1962 zur¨uck. Darin verf u¨ gte der Pr¨asident nicht nur, dass die bis dato rein milit¨arische Satellitenkommunikation den Menschen und zur Verst¨andigung unter den V¨olkern der Erde dienen solle, sondern weiterhin, dass eine Firma begr¨undet wird, die diese Verf u¨ gung umsetzt. Diese Firma war die COMSAT Corp. in Washington, 1963 mit dem Mandat gegr¨undet wurde, eine Organisation zur Etablierung internationaler Kommunikationsdienste aufzubauen. Die Fa. COMSAT hat ihre Aufgabe erf u¨ llt und die INTELSAT (in Washington) aufgebaut, deren Netz heute aus u¨ ber ca. 500 Antennen in 400 Erdfunkstellen in mehr als 150 Staaten besteht – ein Kapitalwert von mehr als zehn Mrd. Euro. Abbildung 7.1 zeigt die Erdfunkstelle der damaligen Deutschen Bundespost in Raisting, aus der Gr¨underzeit, eine von vier Antennen mit 30 m Durchmesser. Technisch und institutionell war die Welt, auch Europa, auf Satellitenkommunikation unvorbereitet. Selbst in den USA war man nicht sicher, ob man Satelliten in der geostation¨aren Bahn betreiben k¨onne, mit der – bis dato unbekannten – kosmischen Strahlung ausserhalb der Erdatmosph¨are – sie wurde erst zehn Jahre sp¨ater von Van Allen (NASA) mit Hilfe von Satelliten erfasst und vermessen. Zu dieser Zeit gab es auch noch keine Raketen f u¨ r den Transport in den GEO, und so entschied man sich (die Milit¨ars, die das Sagen hatten und die AT&T, die die ganze Technik entwickelt hatte), doch lieber in erdnahen Bahnh¨ohen zu bleiben, obwohl hierf u¨ r die Erdfunkstellen mit mindestens zwei nachf u¨ hrbaren Antennen ausgestattet werden mussten, um die umlaufenden Satelliten zu verfolgen (mit

246

7 Die klassische Satellitenkommunikation

Abb. 7.1 Die klassische INTELSAT-Antenne nach Standard-A mit 30 m Durchmesser f¨ur den Betrieb im C-Band

einer Antenne noch auf dem untergehenden Satelliten, w¨ahrend die andere den aufgehenden u¨ bernimmt). Dr. Harold Rosen von der Fa. Hughes setzte auf die geostation¨aren Satelliten. Er nahm (1962), zusammen mit drei Kollegen, privat ca. $ 40 000 auf und baute einen, den SYNCOM (s. Abb. 7.2), der mit einem eingebauten Hilfsmotor nach Aussetzen in der erdnahen Bahn selbst in den GEO fliegen sollte. Die gerade etablierte NASA startete den SYNCOM am 14.02.1963, der Satellit flog in den GEO und konnte ¨ betrieben werden, der Proof of Concept des GEO war erbracht. Uber SYNCOM wurden 1964 die Olympischen Spiele von Tokio in die USA u¨ bertragen.

Abb. 7.2 Harold Rosen (rechts) und Tom Hudspeth 26.07.63 (Don Williams nicht im Bild)

7.1 Internationale Systeme

247

Auf dieser Basis wurde Hughes zum Weltmarktf u¨ hrer f u¨ r Kommunikationssatelliten. Allein von dem Model HS376 wurden u¨ ber 100 Flugeinheiten international verkauft. Die Firma, inzwischen von Boeing aufgekauft, setzt noch heute auf den GEO (im Gegensatz zu LEO). Insbesondere bei TV ist der GEO, bei dem die Empfangsantennen nicht nachgef u¨ hrt werden m¨ussen, unabdingbar. Die Fa. Hughes bietet 30 Jahre sp¨ater geostation¨are Satelliten f u¨ r die Direktkommunikation mit dem Handy an (Thuraya). Die COMSAT musste seinerzeit INTELSAT-I (Early Bird) fliegen (u.a. f u¨ r die 1. ¨ transatlantische Ubertragung von Life-Fernsehen wichtiger Ereignisse) bevor die europ¨aische CEPT1 der Etablierung des Interim Communications Satellite Committee, bis Mitte der 70er Jahre die Vorl¨auferorganisation der INTELSAT, zustimmte.

7.1 Internationale Systeme 7.1.1 INTELSAT Die International Telecommunications Satellite Organisation INTELSAT, 1963 konzipiert und 1973 in Betrieb gegangen, hatte Rang und Satzung a¨ hnlich der Vereinten Nationen und ist seit 18.07.01 eine auf den Bahamas (UK) eingetragene Privatfirma. Sie betreibt Kommunikation f u¨ r Nutzer in etwa 200 Staaten mit 53 Satelliten weltweit im Betrieb und Einnahmen von mehr als 1 Mrd. US-Dollar p.a. Der Besitzer der INTELSAT, eine private Investmentgruppe, hat inzwischen die Panamsat aufgekauft und in die INTELSAT eingegliedert, so dass INTELSAT weiterhin der weltgr¨osste Satellitenbetreiber ist. Die INTELSAT bietet auch Satelliten-Transponder-Leases an. Diese werden f u¨ r nationale Bedarfe, aber auch f u¨ r multinationale Anwendungen eingesetzt (zum Beispiel t¨agliche Fernseh¨ubertragungen von Europa nach Nord- und S¨udamerika). Neben der traditionellen Weitverkehrstechnik mit den klassischen Standard-AStationen (s. Abb. 7.1) bedient die INTELSAT auch moderne International Business Systems und nationale Satellite-Business-Services. Die INTELSAT verwendet f u¨ r die globale Bedeckung meist baugleiche Satelliten im atlantischen, indischen und pazifischen Bereich, obgleich das Verkehrsaufkommen im indischen Bereich nur die H¨alfte dessen des Atlantiks, und die des pazifischen Bereichs nur die H¨alfte des indischen ist. Die betriebstechnische Flexibilit¨at und die niedrigeren Beschaffungskosten der Seriensatelliten u¨ berwiegen die Vorteile eines f u¨ r die drei Dienstregionen massgeschneiderten Raumsegmentes. Mit In-Orbit-Rekonfigurierbaren Antennen kann man die Satelliten w¨ahrend des Betriebes von einer Region in jede andere transferieren und den dortigen Footprints anpassen. Dem enormen Verkehrsaufkommen im atlantischen Bereich entspricht man, indem man hier mehrere Einzelsatelliten betreibt. 1

CEPT = Conspiracy for the Elimination of Progress in Telecommunications ist nat¨urlich falsch - wiewohl in jener Zeit naheliegend; der richtige Name ist Conference Europeenne des administrations des Postes et Telecommunications, der Verbund der 45 europ¨aischen „Regulierungsbeh¨orden f¨ur Telekommunikation“

248

7 Die klassische Satellitenkommunikation

Tabelle 7.1 zeigt die Entwicklung der INTELSAT-Satelliten von INTELSAT-I bis INTELSAT-X u¨ ber vierzig Jahre von 1965 bis 2004: Tabelle 7.1 Die Entwicklung der INTELSAT-Satelliten Serie2 IHAC,1 IIHAC,4 IIITRW,7 IVHAC,8 IVAHAC,6 VSSL,7,9 VASSL,6 VIHAC,5 KLM,1 VIISSL,9 VIIASSL,2 VIIILM,6 VIIIALM,1 IXSSL,7 XAstrium,1

Start 1965 1966 1968 1971 1975 1980 1985 1989 1992 1993 1995 1997 1999 2000 2004

Masse3 68 162 294 1390 1477 1869 2015 4200 2836 3485 3485 3600 3600 4685 5775

Spektrum4 50 125 300 480 800 2144 2250 3300 640 2432 3160 2550 2360 3456 3832

N◦ of Tx5 2/0 1/0 2/0 24/0 36/0 21/6 26/6 38/10 0/16 26/10 26/14 38/06 28/37 76/22 70/36

P6c−band 6 4–6 10 6,3 6,3 10 10 20 – 50 72 60 60 65 60

P7k−band – – – – – 5 5 5 110 50 73 73 73 100 150

Tel-K8 48010 960 2000 7500 12 000 24 000 30 000 48 000 10 000 36 000 40 000 38 000 35 000 54 000 60 000

Life9 0,5 3 5 7 7 7 7 10 10 15 15 20 18 13 13

Das stete Wachstum der Anzahl der Telefonkan¨ale ist plausibel; interessant ist aber, dass die herstellergarantierte Lebensdauer des Satelliten nicht in den Himmel w¨achst: Sie wuchs von sechs Monaten bei INTELSAT-I auf zwanzig Jahre bei INTELSAT-VIII, ist seit dem aber wieder r¨uckl¨aufig und liegt heute bei zehn bis dreizehn Jahren. Der Grund hierf u¨ r ist:  Ein Satellit hat einen planerischen und beschaffungsbedingten Vorlauf von zwei bis drei Jahren und dann eine durchschnittliche Bauzeit von drei Jahren, so dass eine sinnvolle Betriebsdauer von zwanzig Jahren verlangt, dass die Satellitennutzlastauslegung von den Ingenieuren auf ein Verkehrsprofil und -volumen ein Vierteljahrhundert in die Zukunft geplant und absolut festgeschrieben werden muss – ein Ding der Unm¨oglichkeit. 2

erste Fussnote = Hersteller (HAC = Hughes Aircraft Corp, heute Boeing Satellite Systems (BSS); SSL = Space Systems Loral (ehem. Ford Aerospace); LM = Lockheed Martin), zweite Fussnote = Anzahl der Satelliten in der Serie 3 Startmasse des betankten Satelliten 4 gesamte installierte Bandbreite in beiden Frequenzb¨andern in MHz 5 Anzahl der aktiven Transponder im C-Band/im Ku-Band 6 Sendeleistung der C-Band Verst¨arker in W 7 Sendeleistung der Ku-Band Verst¨arker in W 8 Anzahl der u¨ bertragbaren Telefonkan¨ale (1 Telefonkanal = 1/2 Sprechkreis) 9 herstellergarantierte Lebensdauer des Satelliten in Jahren 10 die Zahl 240 in der Literatur meint Sprechkreise

7.1 Internationale Systeme

249

Deshalb, und obwohl die Betriebswirte die Idee eines zwanzig Jahre dienenden Satelliten in Unkenntnis der Nutzlosigkeit einer Nutzlast, die dem Verkehr nicht mehr gerecht wird, lieben, ist es betriebswirtschaftlicher, einen Fernmeldesatelliten f u¨ r zehn Jahre Betriebsdauer auszulegen (Abschluss der Bedarfsanalyse und Nutzlastdefinition also 15 Jahre in die Zukunft) und ihn u¨ ber diesen Zeitraum weitgehend betriebswirtschaftlich zu nutzen und nach dieser Frist den n¨achsten optimal zu definieren, anstatt das Auslaufmodell in seiner zweiten Halbzeit oder sp¨atestens im letzten Drittel seiner Betriebsdauer zu betreiben, in der es den aktuellen Verkehr nicht ad¨aquat bedienen kann. Ca. 1995 wurde klar, dass sich die INTELSAT f u¨ r solche Betriebskonzepte und die moderne Gesch¨aftskommunikation nicht eignete (das Prinzip der Consensus Entscheidung eignet sich wenig f u¨ r die moderne Gesch¨aftswelt, da sie zu lange dauert und zum kleinsten gemeinsamen Nenner f u¨ hrt). Man begann – auch im Zeitgeist der Deregulierung - die Aufspaltung der INTELSAT und die Planung einer Tochtergesellschaft, die speziell Privatkunden (verst¨arkt auch Kommunikation mit Kleinsterdfunkstellen, VSATs) bedienen soll. Die New Skies wurde 1997 in Holland ins Leben gerufen – die „hoheitliche“ INTELSAT blieb in Washington. Schon die „alte INTELSAT“ ist von der 30 m-Antenne (siehe Raisting C-Band) weitergeschritten zur 15 m-Antenne (Ku-Band) bis hin zu < 10 m-Antennen f u¨ r Gesch¨aftsverkehr und 2 m-Antennen f u¨ r D¨unnb¨undelverkehr im Ku-Band. Sie bedient heute C-Band und Ku-Band, nicht aber L-, S-, X-, Ka-, Q-, V- und W-Band. 1998 ist mit INTELSAT-901 der erste Satellit der 9. Generation in Betrieb gegangen, der INTELSAT-X wurde 2004 gestartet. 7.1.2 NewSkies Die Fa. NewSkies, Den Haag, betreibt f u¨ nf geostation¨are Satelliten, die sie von der INTELSAT im Dezember 1998 u¨ bereignet bekommen hat. Zus¨atzliche Satelliten und weitere Orbitpositionen sollen zu einem noch gr¨osseren, weltweiten Angebot f u¨ hren.NewSkies plant sowohl zus¨atzliche Frequenzb¨ander (das Ka-Band) wie auch milit¨arische Frequenzb¨ander (die B¨ander SHR und EHF) in diesem Kundenbereich. NewSkies ist 2006 von SES/Global aufgekauft worden. 7.1.3 INTERSPUTNIK Die internationale Satellitenorganisation INTERSPUTNIK (Moskau) war eineAgentur der ehemaligen Sowjetunion. Sie wurde 1971 gegr¨undet, um der 1963 gegr¨undeten INTELSAT Paroli zu bieten. Die Mitgliedsstaaten waren 1971 (und sind heute) durch ihre Fernmeldebeh¨orden vertreten (s. Tabelle 7.2). Weitere Kunden, die auf INTERSPUTNIK zugreifen, sind Kunden in England, Frankreich, Israel, Japan, Kanada, in der T¨urkei und auch in den USA. ¨ INTERSPUTNIK bietet im Wesentlichen Telefon- und TV-Ubertragung; digitale ¨ Ubertragung war in der Vergangenheit keine Anforderung an das Raumsegment. Im Gegensatz zur INTELSAT besass das INTERSPUTNIK kein Raumsegment, sie

250

7 Die klassische Satellitenkommunikation Tabelle 7.2 Die Mitgliedsstaaten von INTERSPUTNIK

01 Afghanistan

09 Georgia

17 Madagascar

25 Russia

02 Algerien

10 Germany

18 Mongolia

26 Slovakia

03 Belarus

11 Hungary

19 Nicaragua

27 Somalia

04 Bulgarien

12 Irak

20 Poland

28 Syria

05 Cambodia

13 Kazakhstan

21 Portugal

30 Ukraine

06 China

14 Kirghizstan

22 Tajikistan

31 Uruguay

07 Cuba

15 Korean DPR

23 Turkmenistan

32 Vietnam

08 Czech Republic

16 Laos

24 Romania

33 Yemen

bekam C-Band-Kapazit¨at (kostenfrei) von der russischen Regierung. Die Satelliten waren von der GORIZONT-Serie (s. Abb. 7.3). Seit Ende 1997 arbeitet der US-Satellitenhersteller Lockheed-Martin (LM) mit der INTERSPUTNIK-Organisation zusammen und betreibt seitdem die LockheedMartin-Intersputnik Satelliten auf (bislang) einer Orbitalposition der INTERSPUTNIK Organisation mit dem leistungsf¨ahigen Fernmelde-Satelliten von LockheedMartin, kosteng¨unstig eingeschossen von der russischen PROTON. Daneben greift die INTERSPUTNIK auf die russischen Satelliten MOLNIYA, RADUGA, GORIZONT, GALS und EXPRESS zu. Mit dieser neuen Satellitengeneration kann zuk¨unftig auch digitale Phasenmodulation u¨ bertragen werden. LMI vermietet auch ganze Transponder (auch im Ku-Band) – auch an nicht-INTERSPUTNIK-Staaten. Mit der kommerziell ausge-

Abb. 7.3 GORIZONT, ein russischer C-Band-Satellit im GEO

7.1 Internationale Systeme

251

Abb. 7.4 LMI-Satellite

richteten, neuen INTERSPUTNIK muss zuk¨unftig auch als Anbieter insbesondere im DOMSAT-Bereich gerechnet werden. Die prinzipielle Architektur der LMISatelliten ist in Abb. 7.4 gezeigt, hier sind die C- und Ku-Band Speisesysteme eingerahmt – die Ku-Band Antenne ist bei gleicher Ausleuchtungsfl¨ache am Boden kleiner, da sie bei einer h¨oheren Frequenz betrieben wird. 7.1.4 PANAMSAT Die Fa. PANAMSAT (Greenwich, CON) etablierte sich als erste gegen INTELSAT im panamerikanischen und dann im transatlantischen Verkehr – nachdem EUTELSAT und PALAPA sich als regionale Betreiber behauptet hatten. Seit 1997 betreibt PANAMSAT Satelliten auch in S¨udamerika, im Indischen Ozean, in Afrika und im Pazifik. 2006 wurde sie von der INTELSAT aufgekauft, die durch diesen Kauf wieder zum weltgr¨ossten Satellitenbetreiber f u¨ r die kommerzielle Kommunikation und Fernsehverteilung wurde, mit 53 aktiven Satelliten, vor SES-GLOBAL mit 35 aktiven Satelliten. 7.1.5 SKYNET SATELLITE SERVICES/ORION Die Fa. LORAL (NY), Hersteller milit¨arischer Elektronik, kaufte die Ford Aerospace, dann 1996 die Skynet Satellite Services der AT&T und 1997 die internationale ORION und wurde so u¨ ber Nacht zum Global Player. SKYNET und ORION bedienen C- und Ku-Band. Das Cyberstar von SSL soll globale Dienste im Ka-Band anbieten. ORION Networks Systems (Rockville, MD) betreibt seit Nov. 1994 den ORION-1 Satelliten auf 37,5◦W, der Ku-Band Dienste in den USA, Europa und transatlantisch u¨ bertr¨agt. ORION-2 soll als Reserve dienen; ORION-3 auf 139◦O den Betrieb in Asia Pacific u¨ bernehmen.

252

7 Die klassische Satellitenkommunikation

Damit war ORION einer der wenigen privaten Betreiber interkontinentaler Satellitenkommunikation. Die Firma hat sich erfolgreich gegen INTELSAT durchgesetzt und bediente mittlere und grosse Unternehmen mit Kapazit¨at f u¨ r Konzernkommunikation, bevor sie 1997 von der Fa. LORAL aufgekauft wurde. 7.1.6 SATCOM/SPACENET/GE AMERICOM Die Fa. RCA startete 1975 mit SATCOM-1 den fortschrittlichsten Nachrichtensatelliten seiner Zeit, mit 24 C-Band-Transponder, der erste 3-achsenstabilisierte Satellit im kommerziellen Betrieb (die Satelliten wurden bis dato stabilisiert, indem der gesamte Satellit rotiert wurde - mit der Schwierigkeit,die stets auf die Erde gerichteten Antennen mit exakt derselben Geschwindigkeit gegenl¨aufig zu rotieren. Neben der ¨ Geschwindigkeitseinhaltung ist die Ubertragung der im Inneren des Satelliten generierten Hochfrequenz zur entdrallten Antenne schwierig. Beim SATCOM wurden stattdessen Drallr¨ader im Inneren des still stehenden Satellitenk¨orpers betrieben. Die Fa. RCA wurde RCA Americom, sp¨ater GE ASTRO, sp¨ater GE American Communications (GE Americom), heute SES Americom. SES Americom hat mit SATCOM, GE-i, GStar, SPACENET, ASC-1/2 und SIRIUS (S) ein weltweites Netz (einschl. Europa) aufgebaut und ist gr¨ossenvergleichbar mit INTELSAT. Mit ihren Satelliten wird auch CNN-SNG von der ganzen Welt nach USA transportiert und CNN-News global abgestrahlt. Ge-Americom ist heute Teil von SES-Global. 7.1.7 GALAXY/PANAMSAT/SPACEWAY Mit Galaxy begann Hughes Communications Inc. (HCI) C-Band-Dienste in den USA; durch den Aufkauf der Fa. PANAMSAT wurde das HCI-Netz global. Global soll auch das SPACEWAY im Ku- und Ka-Band arbeiten – ein 5 Mrd. Euro-Projekt. 16 geostation¨are Satelliten waren vorgesehen, mit On-Board-Processing (OBP) und Intersatellitenverbindungen, fu¨ r Bandwidth on Demand, Fernsehen, Internet Services, Duplex-Video, Multimedia, Interactive Distance Learning, High Speed Corporate Networks und Small Office/Home Office (SOHO) Services. SPACEWAY soll 170 Millionen Teilnehmern weltweit eine voll vermaschte Topologie anbieten (keine Hub Stationen). Jeder Satellit ist ein „10 Gbit/s-Router in the Sky“ mit 100 Spotbeams bzw. Zellen am Boden. 7.1.8 Molnija Fr¨uh in den 60er Jahren erkannte die Sowjetunion, dass sie zur Abdeckung ihres elf Zeitzonen grossen Landes mit geostation¨aren Satelliten mindestens drei Orbitpositionen betreiben m¨usste,so gew¨ahlt,dass der o¨ stliche Satellit bis Wladiwostok sieht, der westliche bis an die polnische Grenze und der Dritte den grossen Ausschntt in Nordsibirien bedecken w¨urde. Die Molnija-Bahn l¨ost dieses Problem; sie fliegt mit 63,4◦ Inklination ein Apog¨aum in ca. 40 000 km H¨ohe, von dem aus sie ganz Russland – einschliesslich Nordsibirien – sieht. Die Footprints sind ortsfest, und mit drei Satelliten in der

7.1 Internationale Systeme

253

Abb. 7.5 Der Molnija-Fernmeldesatellit (MOLNI-1; deutsch: Blitz)

Bahn ist immer einer (f u¨ r acht Stunden) in der Apog¨aumsschleife. Da ein geostation¨ares Raumsegment ebenfalls drei Satelliten ben¨otigt, ist diese L¨osung im Raum nicht nachteilig. Am Boden m¨ussen jedoch die Antennen nachgef u¨ hrt werden. F¨ur unterbrechungsfreien Betrieb m¨ussen sogar je zwei Antennen pro Station betrieben werden, so dass die zweite den aufgehenden Satelliten annimmt, w¨ahrend die erste noch mit dem untergehenden arbeitet. Die lange Serie von Molnijas (s. Abb. 7.5) wurde von NPO-PM (Krasnojarsk) hergestellt. Die Transponder sind im C-Band f u¨ r Telefonie und Fernsehen und im X-Band f u¨ r milit¨arische Fernmeldetechnik. Die erste Flugeinheit wurde im April 1965 gestartet und u¨ bertrug das erste Life-TV von Moskau nach Wladiwostok. Die Lebensdauer der Satelliten war zwei Jahre (sie fliegen zweimal t¨aglich durch den VanAllen-Belt, wo sie sechs Mal h¨oherer Strahlung als im GEO ausgesetzt sind). Bis Ende 1997 wurden insgesamt 165 Satelliten erfolgreich gestartet. Das System wird noch heute betrieben,obwohl Russland inzwischen auch geostation¨are Satelliten hat. 7.1.9 Weitere internationale Systeme Weitere internationale geostation¨are Systeme sind das – ASTROLINK (Ka-Band) der Fa. Lockheed Martin/TRW/Telespazio (3,6 Mrd. €; 9 Satelliten auf den Positionen 97◦W, 21,5◦W, 2◦ O, 130◦O und 175,25◦ O; in 2002) und – EuroSkyWay von Alenia. Hinzu kommt ein tief fliegendes System (eine „Konstellation“) – SkyBridge, Alcatel (mit 80 Satelliten ein 7 Mrd. Euro Projekt, im Ku-Band, in dem auch GEOs arbeiten; die VSATs m¨ussen immer abschalten, bevor sie einen GEO treffen), ein System f u¨ r Breitbanddienste (Inter- & Intra-Net, Multimedia, Corporate Data Networks) das zurzeit nicht aktiv verfolgt wird.

254

7 Die klassische Satellitenkommunikation

Die GEO-Systeme kosten etwa 10% der LEO-Systeme und haben doppelt bis dreimal so lange Lebensdauer (kosten so gesehen 5 bis 3% der LEOs). Mit direktiven Antennen schauen sie dahin, wo die M¨arkte sind, ohne teure Satellitenleistung auf Ozeane, W¨usten, Dschungel und die Erdpole zu verschwenden. Sprachdienste werden global von Iridium und Globalstar angeboten (s.Kap.10). Datendienste werden von globalen Systemen wie ORBCOMM angeboten.

7.2 Regionale Systeme 7.2.1 EUTELSAT Das Pendant zur INTELSAT in Europa ist die von den ehemaligen Postverwaltungen Europas 1977 gegr¨undete EUTELSAT, die am 02.07. 2001 zum Privatunternehmen wurde. Das eingetragene Aktienkapital der Anteilseigner aus 48 L¨andern betrug 1 Mrd. Euro. Die Firmen France Telecom, Telecom Italia, British Telecom und Deutsche Telekom besitzen 72% der Fa. EUTELSAT S.A., die ihren Sitz in Paris hat. Sie betreibt in erster Linie den Verkehr zwischen den L¨andern Europas (einschl. Russlands), der damit der INTELSAT verlustig geht. Dar¨uber hinaus ist auch in EUTELSAT – wie schon bei INTELSAT – Transponder-Lease m¨oglich, mit dem ein Land seinen nationalen Bedarf abdecken kann, meist im Vorfeld eines Domestic Satellite Systems (DOMSAT). Speziell L¨ander Osteuropas, die keine nationalen Satelliten besitzen, arbeiten mit Transponderleases. Der EUTELSAT-II (1990 gestartet) hatte 7 Transponder a` 72 MHz und 9 a` 31 und 36 MHz, alle in linearer Polarisation und mit 50 W Sendeleistung. Die Transponder k¨onnen auf den grossfl¨achigen Widebeam mit 24–29 dBi (39–47 dBW EIRP) oder den Superbeam mit 35–36 dBi (44–52 dBW) geschaltet werden.Die Transponderg¨ute reicht von −3,5 bis +2,5 dBi/K,so dass der Betrieb vonVSATs bis 1,6 m Durchmesser m¨oglich ist. Die EUTELSAT-III-Satelliten „W24“ haben 24 Hochleitungstransponder. Damit wird Eutelsat Wideband Dama Service (EWDS) angeboten, ein Breitbanddienst f u¨ r Internet, Computerverkehr, Multimediale und datenintensive Anwendungen. Das Terminal hierf u¨ r, das LINKWAY 2000 kommt von der COMSAT. Daneben gibt es die Hot Bird + -Serie von Fernsehverteilsatelliten auf 13◦ O, die dem ASTRA (auf 19,2◦ O und 28,2◦ O) Paroli bieten. HotBird-6 hatte erstmals vier Transponder im Ka-Band. Die EUTELSAT erwirtschaftet seit 2000 Ums¨atze von > 500 Mio Euro. 7.2.2 ARABSAT Das Pendant zur EUTELSAT in der arabischen Region ist die 1976 gegr¨undete ARABSAT-Organisation der 21 arabischen L¨ander (Sitz in Riyadh). Sie vermittelt Telephonie in Arabien und strahlt TV ab. Die erste Satellitengeneration wurde 1992 von der zweiten abgel¨ost. Die Satelliten haben S-Band- und C-Band-Transponder an Bord und bedienen Telefonie, Fernsehverteilung und auch Transponder-Leases (auch an Indien). Neuere Satelliten gehen in den Dienst.

7.2 Regionale Systeme

255

7.2.3 AGRANI So wie ARABASAT Nordafrika und Indien bedient, soll AGRANI/ASC f u¨ r das restliche Afrika und Indien/Ost-Asien die terrestrische Infrastruktur durch Satellitenkapazit¨at f u¨ r Telefonverkehr,Fernsehausstrahlung und Transponder-Leases erg¨anzen; das System ist noch nicht in Betrieb. 7.2.4 PALAPA Noch vor den beiden Grossm¨achten erkannte Indonesien 1976 die N¨utzlichkeit der satellitengest¨utzten Fernmeldetechnik zur Unterst¨utzung der terrestrischen Infrastruktur im „Reich der 15 000 Inseln“. Die zweite Generation PALAPA ging 1983 in Betrieb. Der zweite PALAPA-Satellit erreichte beim Start nicht die GEOFlugh¨ohe. Er wurde vom Shuttle wieder eingefangen, zur Erde zur¨uck gebracht, wieder aufgetankt und erneut gestartet, dieses Mal erfolgreich. Seit 1995 ist die dritte Generation des indonesischen PALAPA-Systems ein Pendant zur EUTELSAT in der s¨udasiatischen Region geworden und vermietet Kapazit¨at auch an Malaysia, China, Japan, Indien und Pakistan. Die PALAPA-Satelliten arbeiten im C-Band f u¨ r Telefon- und Datenverkehr,im Lund S-Band f u¨ r Fernsehverteilung von ca. 10 H¨orfunkprogrammen in CD-Qualit¨at und im Ku-Band f u¨ r Verkehr in Indonesien, Korea, Japan, Thailand und Singapur. 7.2.5 TURKSAT/EurAsiaSat Das Programm TURKSAT/EurAsiaSat ist eine Verbindung des nationalen DOMSAT der T¨urkei mit Infrastrukturverbesserung von Anreinerstaaten zur kosteneffizienten Versorgung der Anreinerstaaten in Asien, bei gleichzeitiger Erh¨ohung der Betriebswirtschaftlichkeit des nationalen t¨urkischen Systems. 7.2.6 NAHUEL Auch das fl¨achengrosse, d¨unn besiedelte Argentinien hat sich fr¨uhzeitig f u¨ r ein DOMSAT entschieden, scheute aber die Investition. In einem 1972 begonnenen Prozess entschied sich die argentinische Regierung dann 1992 daf u¨ r, eine Lizenz im internationalen Wettbewerb auszuschreiben. Der Lizenznehmer d¨urfe f u¨ r 30 Jahre die nationale Satellitenkommunikation in Argentinien betreiben. Eine deutsche Firma gewann das Rennen (gegen INTELSAT und Anbieter aus USA) auf der Basis von leistungsstarken C- und Ku-Band-Transpondern. Sie kaufte dann im Ausland ein EUTELSAT-Auslaufmodell mit nur Ku-Band Transpondern m¨assiger Leistung, obwohl der Bedarf in Argentinien im C-Band lag. Der NAHUEL-Ku-Band Satellit wurde dann am 30.01.97 erfolgreich gestartet, die Nutzung des Ku-Bandes blieb aber erwartungsgem¨ass aus; das geforderte C-Band wurde von Intelsat, Panamsat und einem mexikanischen Satelliten angemietet und machte das Gesch¨aft.

256

7 Die klassische Satellitenkommunikation

Um dem Ku-Band Satelliten eine Starthilfe zu geben, wurde bald nach Lizenzvergabe ein Interim System mit gebrauchten, von der kanadischen TELESAT ausgemusterten ANIK-Ku-Band-Satelliten in Betrieb genommen, um eine Klientel aufzubauen. Das NAHUEL-Konzept ist beispielhaft f u¨ r die Etablierung eines DOMSAT in einem Land, das die Kommunikationsinfrastruktur dringend zum Aufbau seiner Volkswirtschaft braucht, aber nicht hinreichend liquide ist, sie selbst zu beschaffen. Heute strahlt NAHUEL auch u¨ ber dem n¨ordlichen S¨udamerika und s¨udlichen Nordamerika ab. 7.2.7 Weitere regionale Systeme Weitere regionale Systeme sind das AsiaCellulatSatellliteSystem ACeS in Indonesien, das AsiaPacificMobileTelecommunications System APMT in China und das Thuraya Mobile Comminications System in Dubai, das die arabisch sprechenden V¨olker bedient, aber auch in Deutschland genutzt werden kann (s. Kap. 10). Des Weiteren gibt es Pl¨ane in Japan, S¨udkorea und Australien gemeinsam ein regionales Kommunikationssatellitensystem auf IGSO-Bahnen aufzubauen und zu betreiben. Dieses w¨urde sich unter anderem vorz¨uglich als Vehikel fu¨ r eine zus¨atzliche Navigationsnutzlast eignen.

7.3 Nationale Systeme F¨ur die Abdeckung der nationalen Verkehrsanforderungen nutzen viele Staaten eigene Domestic Satellite Systems (DOMSATs). Die ersten DOMSATs entstanden in der UdSSR, Kanada (1974), USA (1975), Indonesien (1976), Japan. Das erste europ¨aische DOMSAT war das franz¨osische TELECOM, sp¨ater DFS-Kopernikus in Deutschland. Im Folgenden werden ein paar DOMSATs – europ¨aisch und amerikanisch – vorgestellt, die fu¨ r den Rest paradigmatisch sind. 7.3.1 Deutschland In Deutschland gibt es derzeit keine nationalen kommerziellen Satelliten; der Deutsche Fernmelde Satellit (DFS) KOPERNIKUS ist nicht mehr im Betrieb, war aber als DOMSAT beispielhaft und soll deshalb kurz beschrieben werden. Die damalige Deutsche Bundespost betrieb,neben ihrer Beteiligung in INTELSAT,EUTELSAT und SES, das DFS-System mit drei Satelliten a` 11 Transpondern, zehn im KuBand, einer im Ka-Band, die drei unteren Transponder mit 90 MHz, die sieben oberen mit 43 MHz Bandbreite. Alle Ku-Band Transponder (13,75–14,50 GHz/11,45– 12,75 GHz) hatten 49,1 dBW EIRPeoc . Der eine 20/30 GHz-Transponder hatte die Mittenfrequenzen 29,55 GHz/19,75 GHz, 90 MHz Bandbreite und 48,0 dBW EIRP. DFS wurde 1989 auf den Positionen 23,5◦ 0 und 28,5◦ 0 in Betrieb genommen, anf¨anglich mit etwa 30 Erdfunkstellen in PCM/PSK/TDMA. Die Erdfunkstellen arbeiteten im Frequency Hopping/Transponder Hopping; die TDMA-Bursts in den

7.3 Nationale Systeme

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Transpondern werden so organisiert, dass die Erdfunkstelle nie mehr als einen Burst (in allen Transpondern) gleichzeitig empfangen und demodulieren musste. Dies erm¨oglicht gr¨osstm¨ogliche Netzflexibilit¨at ohne zus¨atzlichen Ger¨ateaufwand am Boden: Jede Erdfunkstelle ben¨otigt nur ein Modulations/DemodulationsPaar (Modem). Die Modembitrate war 64 Mbit/s brutto (ca. 60 Mbit/s netto), was 937 Telefonkan¨ale pro Transponder (`a 43 MHz brutto; 37 MHz netto) Bandbreite erm¨oglicht. Der Steuerteil des TDMA-Rahmens war fu¨ r maximal 100 Erdfunkstellen im Gesamtsystem ausgelegt. Die Vermittlungseinrichtung und das Zugriffsverfahren des DFS a¨ hnelt wesentlich dem Priority Oriented Demand Assignment (PODA). Wie bei PODA werden zwei verschiedene Zugriffsverfahren f u¨ r Erstzugriff und Zugriffs¨anderung eingesetzt: Der Erstzugriff geht u¨ ber einen Request-Zeitschlitz im TDMA-Rahmen. ¨ ¨ Was bei PODA per Piggy-Back in laufenden Ubertragungsb¨ undeln an Anderungen (Abbau oder Erweiterung der Teilnehmerkapazit¨at) dem System mitgeteilt wird,er¨ reicht bei DFS eine,der Pr¨aambel der laufenden Ubertragungsb¨ undel hinzugef u¨ gte, Kurznachricht. ¨ So wie PODA das Verh¨altnis zwischen Request Time und Ubertragungszeit ¨ dynamisch der jeweiligen Ubertragungsanforderung anpasst, wurde bei DFS ein variabler Pool von Feuerwehr-Kan¨alen (Overflow Capacity) zur Abdeckung von momentanen Spitzenanforderungen hergenommen – momentan deshalb, weil alle 60 s eine komplette, an die neue Bedarfsanmeldung angepasste Neubelegung des TDMA-Rahmens erfolgt. Damit k¨onnen die Overflow-Zuordnungen im Single Channel per Burst-Verfahren (SCPB-Verfahren) vorgenommen werden. Die Netzkontrolle und Einbringung von Requests erfolgte u¨ ber PCs. Hersteller des DFS-TDMA war die COMSAT,Washington; europ¨aische TDMA-Systeme waren nicht verf u¨ gbar.Die Telekom beabsichtigt derzeit nicht,ein Folgesystem zu beschaffen, sondern wird ihre Satellitenkapazit¨at bei ASTRA, EUTELSAT und INTELSAT anmieten. 7.3.2 Der franzosische Fernmeldesatellit TELECOM ¨ Ahnlich dem DFS-Kopernikus hat die franz¨osische Postverwaltung (PTT) 1984 das Projekt TELECOM gestartet, vor dem Hintergrund des von Nora und Minc proklamierten Einstiegs in das Zeitalter und die High Technology der Telematique. Wesentliche Attribute des TELECOM waren: – Einbettung in ein untermauertes Gesamtszenar (die Telematique) – zeitlicher Vorsprung in Europa (die Post mietete von der PZZ Transponder) ¨ – Ubernahme von industrieller Entwicklungsvorarbeit der ESA (der Satellit ist eine Weiterentwicklung des Orbital Test Satellite „OTS“ der ESA) – ein 7/8 GHz-Transponder f u¨ r die milit¨arische Nutzung der franz¨osischen Streitkr¨afte (eine betriebswirtschaftlich sinnvolle Vorgehensweise) – 4/6 GHz-Transponder f u¨ r die Verbidnung mit den franz¨osischen Departments in Afrika und S¨udamerika. Hauptmedium des TELECOM-I sind 11/14 GHz-Transponder f u¨ r (digitalen) Telefonverkehr, der in TDMA u¨ bermittelt wird, mit Transponderbitraten von 25 Mbit/s

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7 Die klassische Satellitenkommunikation

(also 0,625 bit/Hz). Begleitend zu TELECOM-I und im Rahmen der Telematique hat Frankreich das Prelude-Projekt NADIR durchgef u¨ hrt, zur Bearbeitung von Telecommunication/Information-Science- Fragen. 1991 und 1992 wurden die TELECOM-Satelliten der zweiten Generation gestartet. Die Telecom France will auch in Zukunft nationale Satellitenkommunikation betreiben. Das n¨achste Projekt k¨onnte ATHENA sein, ein von der zivilen Raumfahrtbeh¨orde CNES und der wehrtechnischen Beschaffungsagentur DGA gemeinsam geplantes Satellitensystem f u¨ r INTERNET-Verkehr in ruralen Regionen, ¨ UN-Missionen ausser Landes und die Ubermittlung der Daten von unbemannten Dronen (Unmanned Arial Vehicles, UAVs) zum Boden. ATHENA soll ausschliesslich im Ka-Band (20/30 GHz) arbeiten, nach TELESAT Canada und ITALSAT (und US-milit¨arischen Satelliten) das dritte kommerzielle Ka-Band-Only Satellit. 7.3.3 ITALSAT Italien hat die Satellitenkommunikation seit den 70er Jahren – mit den SIRIOKu-Band-Satelliten – konsequent entwickelt und 1991 die Ka-Band Satelliten ITALSAT-1 und -2 gestartet; die Fa. Telespazio hat den Betrieb mit 30 Bodenstationen aufgenommen. ITALSAT fliegt auch 7/8 GHz-Transponder f u¨ r die milit¨arische Nutzung. Der ITALSAT hat bordseitige Signalverarbeitung und Vermittlung (On-Board Processing & Switching), mit der 12 000 Telefonkan¨ale in TDMA betrieben werden. Das Satellite Switching erlaubt die flexible Verteilung ¨ der Ubertragungskapazit¨ at dahin, wo der (z.B. saison- und tourismusabh¨angige) Bedarf ist und hat sich auch w¨ahrend der Erdbeben 1997, als die terrestrische Kommunikation ausgefallen war, gut bew¨ahrt. Italien betreibt heute die modernsten Nachrichtensatelliten Europas. 7.3.4 HISPASAT Der spanische HISPASAT (Retevisi´on, Telefonica etc.) wurde 1992 zur 500-Jahrfeier der Entdeckung Amerikas und den olympischen Sommerspielen in Barcelona in Betrieb genommen. Heute u¨ bermitteln drei Satelliten (auf 30◦W) im Ku-Band ISDNTelefon- und Datenverkehr (FSS), strahlen Fernsehprogramme u¨ ber Spanien und Portugal aus (DBS) und transportieren spanische Fernsehprogramme nach Nordund S¨udamerika f u¨ r lokalen Direktempfang dort. 7.3.5 BRASILSAT Auch Brasilien hat mit von INTELSAT gemieteten Transpondern (1974) angefangen, ein DOMSAT aufzubauen.1982 hat man bei der Fa.SPAR (CAN),die auch die ANIKSatelliten gebaut hatte, zwei HS376-Satelliten mit C-Band-Transpondern bestellt. Die Satelliten wurden 1985/86 mit ARIANE gestartet und auf 63◦W und 65◦W in Betrieb genommen; das Sistema Brasilero de Telecomunicacoes por Satelite (SBTS). Die zweite Generation SBTS wurde 1994 wieder mit ARIANE gestartet und (auf

7.3 Nationale Systeme

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65◦W und 70◦W) erfolgreich in Betrieb genommen, mit Transpondern im C- und im X-Band.Ausserdem werden seit 1997 Ku-Transponder von NAHUEL angemietet. 7.3.6 INDSAT Auch in Indien wird mit Indsat seit langem nationale Satellitenkommunikation, TV-Verteilung und Meteorologie betrieben. Die Satelliten kamen aus westlicher Fertigung, werden aber seit der 3. Generation von der Indian Research Organisation (ISRO) gebaut. Der INSAT 3C, 2002 mit 2,8 t auf 74◦ O gesetzt, hat 30 C-Band and 2 S-Band Transponder; damit hat Indien 120 Transponder im Betrieb. 7.3.7 ThaiSAT Die Shin Satellite Public Co.Ltd.of Thailand hat sehr fr¨uh Satellitenkommunikation eingesetzt. Sie hat 2002 insgesamt 110 Transponder auf ThaiSat und anderen Satelliten im Betrieb und will zuk¨unftig mit bordseitiger Vermittlung und Verarbeitung mit 50 Gbit/s im Ka-Band in Betrieb gehen. Dies entspricht etwa 1 000 konventionellen Transpondern. Die Erdfunkstellen sind 0,8 bis 1,2 m gross, senden 0,5 bis 5,0 W und kosten unter 1 000 Euro. 7.3.8 MABUHAI/AGILA Auch in den Phillipinen arbeitet man mit einem nationalen DOMSAT fu¨ r die wirtschaftliche Versorgung des Inselreiches mit Kommunikation, Rundfunk und Fernsehen. 7.3.9 OLYMPUS Der Fernmeldesatellit OLYMPUS wurde im Auftrag der ESA gebaut und 1989 auf 19◦W in Betrieb genommen. Er ist seit 1992 ausser Betrieb; seine Daten sind hier genannt weil sie typisch f u¨ r einen Ka-Band-Satelliten sind: Transponder 1: 28,072 255 GHz/18,272 255 GHz, 40 MHz Bandbreite Transponder 2: 28,347 255 GHz/18,547 255 GHz, 700 MHz Bandbreite Transponder 3: 28,622 255 GHz/18,822 255 GHz, 40 MHz Bandbreite. Die die G¨ute des Satellitenempf¨angers beschreibenden Parameter sind: PS/C bei 20 GHz = −6,0 dBW EIRPS/C bei 20 GHz = 19,2 dBW incl. 1,1 dB Antenna TS/C bei 30 GHz = 29,4 dBK

G/TS/C bei 30 GHz = −7,7 dBi/K Misspointing

Die Ausbreitungsmessungen ergaben die Werte f u¨ r die Additional Attenuation % der Zeit 99,0 99,8

20 GHz 2,7 dB 7,4 dB

30 GHz 4,3 dB 14,5 dB.

Dies entspricht den in der Klimazone K zu erwarteten Werten.

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7 Die klassische Satellitenkommunikation

7.3.10 AMOS In der Kategorie der Small-Sats befinden sich kleine Satelliten mit weniger als 1,5 t Startmasse, im Gegensatz zu den konventionellen Fernmeldesatelliten mit 1,5 bis 6,0 t. AMOS wird von der Israel Aircraft Industries gefertigt und hatte 6 bis 8 Transponder a` 40 W Sendeleistung, AMOS-3 inzwischen 12 Transponder. AMOS fliegt im GEO und wird f u¨ r ortsfeste Kommunikation eingesetzt. Die erste Generation war mit Antennen ausgestattet, die sowohl Israel als auch Ungarn bedecken; die Kosten des Satelliten beliefen sich auf ca. 50 Mio. Euro plus 25 Mio. Euro f u¨ r den Einschuss,also etwa 11 Mio.Euro pro Transponder bzw.1,5 Mio.Euro/TransponderJahr. Zum Vergleich: EUTELSAT-III kostete 75 Mio. Euro plus 75 Mio. Euro f u¨ r den Start, bei 16 bei Transpondern also etwa 8 Mio. Euro pro Transponder bzw. 0,5 Mio. Euro/Transponder-Jahr. Je gr¨osser und langlebiger die Satelliten, desto niedriger die Transponderkosten pro Jahr. 7.3.11 CERES Der Central European Regional Satellite (CERES) der ungarischen Regierung mit seiner Flugeinheit CERES-1 ist f u¨ r den Einschuss auf 4◦W geplant. Gedacht wird an die Beschaffung einer Flugeinheit mit acht Transpondern a` 50 dBW EIRP und 36 MHz Bandbreite, im Band 10,95 bis 11,20 GHz und 11,45 bis 11,70 GHz. 7.3.12 TELESAT Schon bald nach Indonesien hat auch Kanada 1978 zu Satelliten gegriffen, um die d¨unn besiedelten knapp 10 Millionen km2 mit Kommunikation und Fernsehen zu versorgen.Heute betreibt man die f u¨ nfte Generation der ANIK-Satelliten (ANIK-E), die 24 C-Band-Transponder a` 36 MHz und 12 W plus 16 Ku-Band-Transponder a` 54 MHz und 50 W haben. Die Bedeckung beinhaltet Kanada bis in die Polarregion plus die USA (inkl. Alaska), an die Satellitenkapazit¨at vermietet wird. Mit TELESAT-Ka ging Kanada 2005 mit einem nur mit Ka-Transpondern ausgestatteten Satelliten an die Front der Satellitentechnologie. Daneben betreibt die Fa. TMI-Communications ein geostation¨ares L-BandSatellitensystem fu¨ r den Mobilfunk in Kanada (s. Kapitel Mobilfunk). 7.3.13 TELSTAR Die US-Amerikanische Telephone & Telegraph-Company AT&T, unterst¨utzt durch die grundlegenden Beitr¨age ihrer Bell Labs, war der wesentlichste Motor der Satellitenkommunikation, flankiert von der Advanced Projects Research Agency (ARPA). Dieser Verbund f u¨ hrte 1962 zu den beiden weltersten kommerziellen TELSTAR-1 ¨ und -2 Nachrichtensatelliten, sog. LEOs auf 960 km Flugh¨ohe. Uber TELSTAR wurden 1964 die Olympischen Spiele von Tokio nach USA u¨ bertragen. In der Zeit u¨ bertrug die amerikanische Regierung die Satellitenkommunikation an die COMSAT; die Aktivit¨aten der AT&T wurden eingestellt.

7.3 Nationale Systeme

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1987 erhielt die AT&T-Skynet Satellite Services dann wieder eine Genehmigung, weitere TELSTARs zu betreiben und startete die TELSTAR-4 Serie mit 24 C-BandTranspondern, Sendeverst¨arkerparallelschaltbarkeit (11 W und 22 W), plus 24 KuBand-Transponder (60 W und 120 W; die meisten Nachrichtensatelliten haben heute durch Parallelschaltung von Sendeverst¨arkern ver¨anderbare Sendeleistungen, um die sich stetig a¨ ndernden Anforderungen bedienen zu k¨onnen). 1996 verkaufte die AT&T die Skynet Satellite Services an die Fa. LORAL (den Betreiber des GLOBALSTAR-Systems f u¨ r die PCN und des ORION-Systems). 7.3.14 Fernsehverteildienste in Europa Noch vor EUTELSAT ist ASTRA das gr¨osste Fernsehverteilsystem in Europa mit den beiden Hauptsatellitenpositionen bei 19,2◦ O und 28,2◦O, auf denen bis zu zehn Satelliten koloziert werden, so dass fu¨ r den Nutzer hunderte von Transpondern pro Position verf u¨ gbar werden; die Satelliten sind zwar mehr als 10 km separiert, werden von der Empfangsantenne aber wie ein Satellit gesehen. Die fortlaufende Komprimierung eines Fernsehbildes und der damit r¨uckl¨aufige Anspruch an die Satellitenbandbreite wird weitgehend kompensiert durch die weiter wachsende Anzahl von Programmen – die Anforderungen an die Satellitenkapazit¨at sind nicht r¨uckl¨aufig. ASTRA ist eine Tochter der Firma SES, die neben Fersehverteilung auch weltweite Satellitenkommunikation betreibt, insbesondere auch in den USA mit ihrer Tochter GE-Americom. 7.3.15 Fernsehverteildienste in USA Neben der Gesch¨aftskommunikation mit ca. 155 Mbit/s denkt man in den USA auch in Gr¨ossenordnungen von 1 500 bis 15 000 Fernsehprogrammen, die in die Wohnungen gebracht werden sollen – sowohl u¨ ber terrestrische Kabelanlagen in Ballungsgebieten als auch via Satellit bzw. nur u¨ ber Satellit im ruralen Bereich. Die ersten Broadcast Satellite Services (BSS) via Direct Broadcast Satellites DBS-1 und -2 der Fa. Hughes, das DirecTV, und ECHO et al. sind in Betrieb. F¨ur BSS via DBS ist das Frequenzband 12,2–12,7 GHz zugeteilt; die DBS-1 und -2 Satelliten haben je 16 Transponder a` 120 W. Damit werden bis zu 53 dBW EIRP erzielt. Es k¨onnen je zwei Verst¨arkerr¨ohren parallel geschaltet und so bis zu 56 dBW erreicht werden. Die amerikanischen DBS verwenden die f u¨ r BSS vorteilhafte Zirkularpolarisation, diegegen¨uber der in Europa verwendeten Linearpolarisation die Vorteile bietet: – einfachere Montage – keine Schr¨agwinkelberechung der relativen Linearpolarisationsebene zum Satelliten notwendig; – im ruralen und insb. im urbanen Gel¨ande werden Mehrwegesignale (deren Polarisationssinn sich bei der Reflexion reversiert) abgewiesen, anstatt dass sie zu Geisterbildern f u¨ hren; – keine Signaldegradation durch Polarisationsdrehung (Faraday Rotation in der Atmosph¨are bei Regen etc.) wie bei Linearpolarisation.

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7 Die klassische Satellitenkommunikation

Die Daten der DBS-1 und -2 Satelliten sind Satellitenhersteller: Boing (damals Hughes); Satellitenmodel HS601 Satellitenbetreiber: Hughes DirecTV Starts: DBS-1 Dez. 1993, DBS-2 Aug. 1994 Startvehikel: ARIANE (beide Satelliten) Startmasse: 1 727 kg (pro Satellit) Elektrische Leistung: 4,3 kW DC am Missionsende, nach 12 Jahren Orbitalposition: DBS-1 auf 100,8◦W und DBS-2 auf 101,2◦W Anzahl der Transponder: DBS-1: 16 (Nr. 2 bis 32, rechtszirkular) und DBS-2: 16 (Nr.1 bis 31, linkszirkular), a` 24 MHz. Die Transponder u¨ bertragen im Mittel 5 bis max. 8 MPEG-komprimierte TVProgramme, also 160 bis 256 Programme. Diese werden auf je einen Tr¨ager pro Transponder zeitgemultiplexed (TDM), die von einer 45 cm Antenne in den USA empfangen werden k¨onnen.Der Preis der Empfangsanlage ist 499 Euro bis 299 Euro, die monatlichen Geb¨uhren betragen ca.25 Euro.Die Investitionen f u¨ r DBS-1/DBS-2 beliefen sich auf 1 Mrd. Euro, getragen von Hughes (600 Mio. Euro), National Rural Telecommunications Cooperative (NRTC) 125 Mio. Euro, United States Satellite Broadcasting (USBB) 100 Mio. Euro und Thomson Consumer Electronics/RCA (Frankreich) 50 Mio. Euro. Das Unternehmen DirecTV verkauft in den USA seit 1996 ca. 4 000 Heimempfangsanlagen pro Monat.

7.4 Zusammenfassung und Ausblick International, regional und national haben sich geostation¨are und quasistation¨are Satellitensysteme wohl etabliert. Dabei ist Molnija das klassische Beispiel f u¨ r quasistation¨are Bahnen, die gerade in hohen Breiten, in denen der geostation¨are Satellit nur noch mit niedrigen Erhebungswinkeln betrieben werden kann, vorteilhaft zum Einsatz kommen. Die klassische Satellitenkommunikation mit ortsfesten Erdfunkstellen ist unvermindert im Einsatz f u¨ r Verkehr u¨ ber weite Entfernungen, aber auch im Nahbereich (Last Mile) zur Unterst¨utzung der terrestrischen Infrastruktur. Insbesondere L¨ander der Dritten Welt mit weniger erschlossenen Kommunikationsinfrastrukturen, in Katastrophengebieten aber auch in der hochtechnisierten Welt (in Industrienationen) hat sich Satellitenkommunikation bew¨ahrt. Die Betreiberorganisationen der klassischen Satellitenkommunikation sind in der Regel sog. Carrier’s Carrier, bedienen also nicht den Endkunden sondern verkaufen oder vermieten Satellitenkapazit¨at an Diensteanbieter (Service Providers), die ihrerseits mit den Endkunden arbeiten.

7.4 Zusammenfassung und Ausblick

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Literaturhinweise Freemann, R. L., „Reference Manual for Telecommunications Engineers“, Wiley, New York, 1996 Communications Week International, vierzehnt¨agig erscheinendes Fachjournal, Emap Media, Greater London House, Hampstead Road, London NW1 7QZ. Long, Mark, „World Satellite Almanac; The Complete Guide to Satellite Transmission & Technology“; 21st Century Publishing, London, 1994 Green, J. H., „The Dow Jones-Irwin Handbook of Telecommunications“, Dow Jones-Irwin, Homewood, IL., 1986 Wilbur L. Pritchard, and Joseph A. Sciulli, „Satellite Communications Systems Engineering“, Prentice Hall, 1986 Morgan,Walter L.,„Communications Satellites - 1973 to 1993“; IEEE International Conference on Communications (ICC) Jung, V., Warnecke, H.-J.,„Telekommunikation“, Springer, 2002

8 Moderne Satellitenkommunikation

„Breitbandige Kommunikationsdienste zu erschwinglichen Preisen, wie macht man das?“ Die zeitgem¨asse Satellitenkommunikation zeichnet sich aus durch (1) leistungsf¨ahigere und qualitativere Satelliten – EIRP, G-T, Ws (2) intelligentere Satelliten – die Signalverarbeitung und Vermittlung an Bord (3) kleinere „Erdfunkstellen“ – statt der 30 m Antenne bei Intelsat-1 bis -3 (4) h¨ohere Frequenzbereiche – die unteren sind voll besetzt und genutzt (5) h¨oherwertige Modulationsverfahren – ASK statt PSK etc. (6) intelligentere Codierverfahren (und wirkungsvolle Chiffrieralgorithmen) (7) effektive Nutzung mit h¨ochster Quellsignalkomprimierung (8) dynamische Zugriffsmethoden – DAMA statt P-2-P Verbindungen (9) adaptive Transponderbandbreiten und Satellitensendeleistungen ¨ (10) kanalangepasste Ubertragung (11) responsive Netztopologie – Diversit¨atsempfang (12) zeitgem¨asses Protocol Engineering 1 – ISO/OSI und TCP-IP Die Merkmale moderner Satellitenkommunikation werden im Folgenden beschrieben.

8.1 Leistungsfahigere und qualitativere Satelliten 8.1.1 Leistungsfahigere Satelliten Eines der wesentlichsten Merkmale eines Fernmeldesatelliten ist seine Sendeleistung bzw. der Verbund der elektrischen Sendeleistung mit dem Antennengewinn der abstrahlenden Antenne, die Effective to Isotropic Radiated Power (EIRP). 1

Protokoll = Vorschrift zur Durchf¨uhrung einer Prozedur oder Abfolge eines Arbeitsprozesses

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8 Moderne Satellitenkommunikation

Die Satellitensendeleistung wurde von den 6 W mit einem Antennengewinn von ca. 4 dBi des INTELSAT-1 und einer Ansteuerung des Satelliten mit −74 dBW/m2 bzw. (−111 dBW) auf 75 W Sendeleistung im C-Band und 130 W im KuBand drastisch angehoben. Diese bemerkenswerte Leistungssteigerung von fast vier Gr¨ossenordnungen in den letzten vierzig Jahren auch des EIRP wurde durch verbesserte Satellitenantennentechnik und immer gr¨ossere Satellitenplattformen m¨oglich. Diese machten h¨ohere Sendeleistungen mit verbesserten Verst¨arkern m¨oglich, die, im Falle von Wanderfeldr¨ohrenverst¨arkern, mit Linearisierern arbeiten. Damit kann man mit Arbeitspunkten 3 bis 4 dB n¨aher an der S¨attigung, dem maximal m¨oglichen Arbeitspunkt des Verst¨arkers fahren. Die nutzbare Ausgangsleistung des Verst¨arkers wird mehr als verdoppelt (s. Kap. 5.4.3, Linearisierung des Verst¨arkers). Gleichzeitig hat man die Ansteuerung des Satelliten von einer S¨attigungsleistung2 Ws = −74 dBW/m2 bzw. −111 dBW auf −85 dBW/m2 (im C-Band) und −100 dBW/m2 bzw. −144,6 dBW im Ku-Band empfindlicher gemacht. Entsprechend wurde die G¨ute G-T der Satelliten verbessert. Damit k¨onnen heute die Anforderungen an die Uplink-Leistung der Terminals merklich reduziert werden. Das bei Intelsat 1980 eingef u¨ hrte Ku-Band, mit 5 W bzw. 35 dBW EIRP pro 36 MHz-Transponder,f u¨ hrte inzwischen zu 55 dBW-Transpondern,eine Steigerung von 20 dB. Das milit¨arische X-Band entwickelte sich a¨ hnlich. Interessant ist, dass das englische Skynet-5 in mehreren Transpondern mit 160 W in 20 MHz (also 8 W/MHz) arbeitet, w¨ahrend andere in einem 120 MHz Transponder mit 80 W ¨ auskommen (< 0,8 W/MHz, was bei gleicher Ubertragungsrate die Kosten am Boden mehr als verzehnfacht). Damit wurden die „SuperGEOs“ m¨oglich; das sind geostation¨are Satelliten f u¨ r die Kommunikation mit dem Handy. Die SuperGEOs gingen im gleichen Jahr in Dienst, in dem Schw¨arme von tief fliegenden Satelliten (LEOs) gestartet wurden und sogleich Bankrott anmeldeten (in 2000). SuperGEOs haben ungleich h¨ohere Kapazit¨at als LEOs, bei deutlich niedrigeren Kosten (ein globales SuperGEO System kostet weniger als 1 Mrd. Euro mit 15 Jahren Lebensdauer; Iridium kostete mehr ¨ als 10 Mrd. Dollar mit 7,5 Jahren Lebensdauer und 10% der Ubertragungskapazit¨ at des SuperGEOs, ist also um den Faktor 200 teurer). Die seit den siebziger Jahren angestrebte bordseitige Signalverarbeitung (On Board Processing; OBP) und Gespr¨achsvermittlung (Satellite Switching; SS) ist bei Thuraya, Inmarsat-4 und anderen Satelliten realisiert worden; sie erlaubt ungleich h¨ohere Kapazit¨atsnutzung des Satelliten und damit niedrigere Kosten f u¨ r den Teilnehmer. Effiziente Antennen haben Einzug gehalten, in Phased Array Technology, auf dem Satelliten und am Boden, eine Flachantenne am Geb¨aude oder Vehikel, die auch mehrere Satelliten gleichzeitig empfangen kann und dieses auch im mobilen Einsatz, ohne mechanisch bewegliche Teile.

2

die Leistung, mit der man den Satellitentransponder ansteuern muss, um ihn in die S¨attigung zu fahren

8.1 Leistungsf¨ahigere und qualitativere Satelliten

267

8.1.2 Steigerungen der Satellitenkapazitat Mit Stand-der-Technik Solargeneratoren von h¨oherem Wirkungsgrad und anderen Verbesserungen in der Satellitenplattform w¨achst die Gesamtmasse des Satelliten nicht linear mit der Anzahl von Transpondern, und damit wurde es zunehmend attraktiv, immer gr¨ossere Satelliten, bis hin zu 7 t Masse bei iPstar (2005), zuk¨unftig ca. 10 t, die die ARIANE-V dann einschiessen k¨onnen wird. Diese Massnahmen fu¨ hren zu immer niedrigeren Kosten pro Transponderjahr f u¨ r die Nutzung – auf Grund der gesteigerten Satellitenleistung - mit immer kleineren und kosteng¨unstigeren Bodenterminals (Very Small Aperture Terminals; VSAT, und Satellite Interactive Terminals; SITs). 8.1.3 Digitalisierung Die Digitalisierung der zu u¨ bertragenden Signale ist heute allgegenw¨artig; Sprache wird in der ortsfesten und insbesondere in der mobilen Kommunikation analog/digital gewandelt. Am Anfang der Digitalisierung wurde das TelefonSprachsignal in Pulse Code Modulation (PCM) mit 64 kb/s umgesetzt; mit Stand der Technik Algorithmen f u¨ r Spracherkennung und -nachahmung kann menschliche Sprache in PCM-Qualit¨at (Toll Quality Voice) mit 4,8 kb/s bis 1,2 kb/s dargestellt werden. Damit k¨onnen 14 bis 54 Telefongespr¨ache u¨ bertragen werden, in der Bandbreite, in der ISDN eines u¨ bertrug. Dies bringt deutliche Reduzierungen der Kosten pro Sprachkanal. 8.1.4 Broadcast Satellite Services Broadcast Satellite Services (BSS), Direct Broadcast Satellite (DBS) oder Direct-toHome (DtH) und Direct Audio Broadcast (DAB, in USA Digital Audio Radio Service, DARS) verlangen alle ein (Receive Only) Nutzerterminal zu sehr niedrigen Kosten. Mit der Verf u¨ gbarkeit von solchen Nutzer-Terminals f u¨ r zum Teil unter 100 Euro hat das Satellitenfernsehen einen enormen Zuwachs, von weniger als 10 Millionen Terminals in Europa vor zehn Jahren, auf u¨ ber 30 Millionen, erfahren. Mit den j¨ungsten Starts von noch leistungsf¨ahigeren Satelliten (Ku-Band EIRPs mit mehr als 60 dBW) darf von einem weiteren Wachstum in diesem Sektor ausgegangen werden. Mit diesen Sendeleistungen kann auch hochaufl¨osendes Fernsehen (High Definition TV, HDTV) abgestrahlt werden. Im Audio-Rundfunk ist in Europa die Fa. Worldspace seit langem auf Sendung, in den USA Sirius und XM-Radio seit 2001. Sie arbeiten mit billigen Empf¨angern im Bereich von $100–$200. Mehr und mehr Autohersteller installieren diese Ger¨ate als Grundausstattung. 8.1.5 Mobilfunk { Mobile Satellite Services Parallel zur Proliferation von VSATs in den Fixed Satellite Services (FSS) expandierten die Mobile Satellite Services (MSS), die mit wenigen grossen Ankerstationen und Millionen von Kleinstterminals auf Schiffen, Flugzeugen und Fahrzeugen

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8 Moderne Satellitenkommunikation

zum Einsatz kamen. Zun¨achst waren Bitraten von 6,4 kb/s bis 19,2 kb/s m¨oglich, mit denen Sprache, Daten und Fax u¨ bertragen wurden; mit Inmarsat-4 werden Dienste bis 492+kb/s angeboten und die Kulmination: MSS wie Thuraya (2000) und INMARSAT-4 (2005) erm¨oglichen die Sprach¨ubertragung u¨ ber geostation¨are Satelliten bis ins Handy. 8.1.6 Qualitativere Satelliten Die Qualit¨at der Satelliten konnte seit Intelsat-1 (6 Monate Betriebsdauer) kontinuierlich gesteigert werden (Intelsat-8 wurde f u¨ r 20 Jahre Betriebsdauer spezifiziert). ¨ war es u¨ blich, dem operationellen Satelliten einen Zu Beginn der Satelliten-Ara Reservesatelliten zur Seite zu stellen (In Orbit Spare) und einen Dritten am Boden vorzuhalten, f u¨ r den Fall, dass einer der beiden im Orbit ausf¨allt (On Ground Spare). Heute werden viele Systeme ohne auch nur einen einzigen Reservesatelliten erfolgreich, wenngleich ein bisschen riskant, geflogen. Man sieht zum Teil die Anmietung von Kapazit¨at auf anderen Systemen vor, f u¨ r den Fall dass der eine Satellit ausf¨allt. Diese L¨osung ist jedoch von begrenztem Vorteil; zum Einen kostet das reine Vorhalten von Reservekapazit¨at laufend Geld (der Betreiber des anderen Systems kann diese Kapazit¨at ja nicht anderweitig vermark¨ ten), und zum Anderen m¨ussen f u¨ r den Ubergang auf diese Ersatzkapazit¨at auf einem anderen Satelliten s¨amtliche Bodenstationen auf diesen anderen Satelliten ausgerichtet werden, ein riesiger Montageaufwand. Auch die extrem lange Betriebsdauer ist von begrenzter N¨utzlichkeit. Ein Satellit wird f u¨ r eine gegebene Nutzungsanforderung ausgelegt und dimensioniert. Danach folgen typischerweise zwei Jahre f u¨ r interne Genehmigung,Ausschreibung, Auswahl des Herstellers und Verhandlungen bis zur Auftragsvergabe. Dann folgen drei Jahre Bauzeit, Einschuss und In-Orbit-Abnahme, zusammen also f u¨ nf Jahre nach Abschluss der Auslegung, Dimensionierung und Spezifizierung. Um nach zwanzig Betriebsjahren den aktuellen Anforderungen immer noch entsprechen zu k¨onnen, m¨ussten die Ingenieure 25 Jahre vor diesem Zeitpunkt diese „aktuellen Anforderungen“ erahnen k¨onnen. Dieses ist nicht m¨oglich; oft genug werden Satelliten lange vor dem Ende ihrer Betriebsdauer aus dem Dienst genommen, weil sie die ge¨anderten Verkehrsprofile oder neuen Dienste nicht mehr bedienen k¨onnen. Ein weiterer Grund, der h¨aufig zur Ausmusterung eines noch funktionst¨uchtigen Fernmeldesatelliten f u¨ hrt, ist die oben angef u¨ hrte Verf u¨ gbarkeit von h¨oheren Sendeleistungen der neueren Satelliten, die seine weitere Nutzung unwirtschaftlich machen w¨urde.

8.2 Intelligentere Satelliten { Signalverarbeitung und Vermittlung an Bord Der weiteren Steigerung der Satellitenkapazit¨at durch immer gr¨ossere Satelliten h¨oherer Leistung ist aber eine Grenze gesetzt dadurch, dass sich das f u¨ r Satellitenkommunikation verf u¨ gbare Frequenzband endlich ist.Die f u¨ r Satellitenfunk ausgewiesenen Frequenzb¨ander sind heute bis in den 20/30 GHz Bereich voll belegt; man

8.2 Intelligentere Satelliten – Signalverarbeitung und Vermittlung an Bord

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muss mit neuen Satellitensystemen in immer h¨ohere Frequenzlagen ausweichen oder das Spektrum in den niedrigeren Frequenzbereichen effizienter nutzen. Eine sehr wirksame Methode der effizienteren Spektrumsnutzung bietet die Zellulartopologie, wie sie auch im terrestrischen Mobilfunk angewandt wird. Anstatt grosse Gebiete mit einer einzigen Ausleuchtung abzudecken, b¨undelt die Satellitenantenne mehrere vergleichsweise kleine Zellen am Boden, in denen dann das Spektrum in der jeweils u¨ bern¨achsten Zelle wieder verwendet werden kann. Mit dieser Zellulartopologie l¨asst sich das verf u¨ gbare Spektrum linear mit der Anzahl der Zellen real vergr¨ossern. 8.2.1 Die Vermittlungsfunktion F¨ur die Vermittlung jeder Zelle mit allen anderen (n − 1) Zellen werden (n − 1)2 Verbindungen (Transponder) ben¨otigt; einschliesslich Verkehr innerhalb der Zelle sind es n2 Transponder,die im Satelliten installiert werden m¨ussen.Statt einer Nutzlast von n2 Transpondern (`a z.B. 10 kg) kann man jedoch einen Rechner (Prozessor) einsetzen, der die Vermittlungsfunktion wahrnimmt. Dieser Rechner an Bord kann die Signale selbst¨andig vermitteln (Thuraya) oder auch die Kommandos einer zentralen Netzvermittlung vom Boden ausf u¨ hren (INMARSAT-4).  8.2.2 Die Optimierung der Ubertragungskapazit at Neben der reinen Vermittlungsfunktion, die mit n2 Transpondern in der Nutzlast ¨ theoretisch auch stattfinden k¨onnte, kann der Rechner die Ubertragungskapazit¨ at optimieren, indem er den Verkehr bedarfsgesteuert bedient. Ein Transponder zwischen zwei Zellen, die momentan keinen Verkehr haben, liegt brach, was insbesondere dann unsch¨on nachteilig ist,wenn zwischen zwei anderen Zellen mehr Verkehr anf¨allt, als der dortige Transponder bedienen kann, so dass Kommunikationsbedarf unabgedeckt bleibt, der Kunde abgewiesen oder in eine Warteschlange gestellt ¨ werden muss. Der Rechner setzt die Ubertragungskapazit¨ at bedarfsabh¨angig auf den Links ein, wo sie das aktuelle Verkehrsaufkommen verlangt.  8.2.3 Im Orbit rekonˇgurierbare Ubertragungskapazit at Im Gegensatz zu fest installierten Transpondern kann der bordseitige Hochleis¨ tungsrechner die Ubertragungskapazit¨ at im Orbit (im Flug) rekonfigurieren wenn das Bedarfsprofil am Boden sich w¨ahrend der Betriebsdauer des Satelliten a¨ ndert. Entsteht zum Beispiel an einem Ort ein Industriepark, der einen entsprechenden Kommunikationsbedarf hat, kann die rechnergest¨utzte Vermittlung im Satelliten so umprogrammiert werden, dass auch dieser Bedarf vermittelt und bedient wird.  8.2.4 In-Orbit Vernetzte Ubertragungskapazit at { Inter Satellite Links Das endliche Frequenzspektrum und die kostenintensive Infrastruktur im Raum kann zu merklich effizienterer Nutzung gef u¨ hrt werden, wenn die Satelliten im Orbit vernetzt werden. Die wesentlichen Attribute der Paketvermittlung (alternatives

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8 Moderne Satellitenkommunikation

Routing, also Transmission Security, und insbesondere Communications Security) k¨onnen erst durch die vernetzte Infrastruktur im Raum genutzt werden. Sp¨atestens in den h¨oheren Frequenzlagen (ab Ka-Band) bietet die Vernetzung die M¨oglichkeiten des diversit¨aren Empfangs zur ununterbrochenen Aufrechterhaltung des Kommunikationsdienstes auch bei intensiven Niederschl¨agen. Die Vernetzung der Satelliten mit Inter Satellite Links ist Stand der Technik; die Anforderungen der Inter Satellite Links an das Raumsegment stehen im Verh¨altnis zu der durch sie gewonnen N¨utzlichkeitssteigerung des Raumsegmentes. Dadurch dass (auch optische) Inter Satellite Links heute in Masse und elektrischer Leistung nur noch m¨assige Anforderungen stellen, k¨onnen Sie auch auf kleineren Satelliten eingesetzt werden. 8.2.5 Die regenerative Verarbeitung der Signale Mit dem bordseitigen Prozessor k¨onnen Hochfrequenztr¨ager auch demoduliert und die Signale dann, im Basisband, fehlerkorrigiert werden, um die auf der ¨ Aufw¨artsstrecke entstandenen Ubertragungsfehler zu bereinigen. Dies ist insbesondere in der pers¨onlichen Kommunikation (Personal Communications System; ¨ PCS) mit dem Handy von Bedeutung: Die Ubertragung wird hier durch die korrumpierte Strecke vom leistungsbegrenzten Handy zum Satelliten gepr¨agt und begrenzt. Die Bereinigung der Aufw¨artsstrecke im Satelliten mildert diese Systembegrenzung. 8.2.6 Die Umsetzung der Signalbu ndelung im Satelliten ¨ Die einzelnen Signale verschiedener Nutzer werden fu¨ r die Ubertragung u¨ ber einen Satelliten zweckm¨assig auf Hochfrequenztr¨ager geb¨undelt.Die beiden wesentlichen B¨undelungsarten sind Time Division Multiplex (TDM), Zeit-koh¨arente Rahmen im Basisband und Frequency Division Multiplex (FDM), Frequenz-koh¨arente Rahmen im Basisband. Die B¨undelung findet am besten zu Beginn der Aufw¨artsstrecke am Boden statt. Dies ist in der pers¨onlichen Kommunikation mit vielen, geographisch dispergierten Einzelnutzern nicht m¨oglich – wohl aber kann zu Beginn der Abw¨artsstrecke im Satelliten geb¨undelt werden. Vom Handy zum Satelliten arbeitet man mit Vielfachzugriffsverfahren. Die drei wesentlichsten Verfahren sind der Zeitvielfachzugriff (Time Division Multiple Access, TDMA; inkoh¨arente Bursts auf einem Hochfrequenztr¨ager), der Frequenzvielfachzugriff (Frequency Division Multiple Access, FDMA; inkoh¨arente Hochfrequenztr¨ager im Spektrum gestaffelt) und der Codevielfachzugriff (Code Division Multiple Access,CDMA; inkoh¨arente Einzel¨ubertragungen,gleichzeitig und auf derselben Frequenz). ¨ F¨ur effiziente Ubertragung und zur Reduzierung der Komplexit¨at im Handy werden in Personal Communications Systems die B¨undelungsarten der Signale in den Prozessoren im Satelliten umgesetzt, meist von TDMA (Aufw¨artsstrecke vom Handy zum Satelliten) auf TDM (Abw¨artsstrecke vom Satelliten zur Speisestation und insbesondere vom Satelliten zum Handy; das kontinuierlich koh¨arente TDM

8.3 Kleinere Erdfunkstellen

271

Signal ist im Handy ungleich einfacher zu empfangen, als ein TDMA Signal, bei dem der Empf¨anger jeden einzelnen, typischerweise 1 ms langen Burst in wenigen ‹s akquirieren muss, einen nach dem anderen). INMARSAT-4, Al Thuraya, ACeS, Iridium etc. arbeiten auf diese Weise.

8.3 Kleinere Erdfunkstellen ¨ sind technisch pass´e, aber Die 30 m grossen Antennen der fr¨uhen Intelsat-Ara selbst die 15 bis 10 m Antennen der klassischen Satellitenkommunikation eignen sich nicht f u¨ r die moderne Gesch¨aftskommunikation oder gar f u¨ r pers¨onliche Dienste und INTERNET. Dazu braucht es kleine Very Small Aperture Terminals, VSATs, die im 11/14 GHz Band arbeiten, oder Satellite Interactive Terminals, SITs, im 20/30 GHz Bereich.SITs transportieren professionelle Kommunikation und multimediale Breitbandanwendungen,global ubiquit¨ar,ins B¨uro,ins Amt und nat¨urlich auch nach Hause. Diese Kleinsterdfunkstellen sind durch die h¨oheren Satellitensendeleistungen m¨oglich geworden. Heute g¨angige VSATs sind kleiner als 2 m, haben niedrige Sendeleistungen von ein paar Watt und m¨assige Kosten. Sie sind meist interaktiv (senden und empfangen) und verwenden unterschiedliche Netzarchitekturen. Sie erg¨anzen herk¨ommliche, terrestrische Festnetze. Flexibles Aufstellen erlaubt rasch, ohne Infrastrukturmassnahmen,wirtschaftlichen Betrieb.Allerdings d¨urfen die Kosten des Aufstellens nicht untersch¨atzt werden. Meist muss der Aufstellungsort erst geschaffen werden: f u¨ r einen auf Frosttiefe gesetzten Betonsockel, einen wettersicheren ¨ Kabelschacht zum Betriebsraum und einen TUV-gerechten Blitzschutz f u¨ r das Terminal k¨onnen die Baukosten die Beschaffung des VSATs u¨ bersteigen. Die beiden f u¨ hrenden Hersteller produzieren u¨ ber 250 000 SITs pro Jahr. Damit werden Internet, DirecPC und Breitbanddienste f u¨ r Schulen, Weiterbildung, „e-commerce“/„e-retailing“, Chat Rooms, Finanzdienste, Unterhaltung (Music Downloads) etc. zu Millionen von Teilnehmern weltweit gebracht. Die Datenrate der interaktiven SIT w¨achst st¨andig und reicht heute weit u¨ ber 10 Mbit/s. Die Zeitspanne von der Planung bis zur Inbetriebnahme von kompletten

Abb. 8.1 Ein Very Small Aperture Teminal (VSAT) bzw. Satellite Interactive Terminal (SIT)

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8 Moderne Satellitenkommunikation

Netzen kann, im Gegensatz zu herk¨ommlichen Systemen, entscheidend reduziert und somit die Betriebswirtschaftlichkeit verbessert werden. Es gibt zunehmend Satelliten, die der niedrigen Sendeleistung, dem kleinen Antennengewinn und der geringen Empfangsg¨ute G-T der VSATs und SITs Rechnung tragen. Damit – h¨angt der Nutzer mit Netzkonfiguration, Dienstedefinition und Tarifen nicht von anderen Netzbetreibern ab (Zero Stop Shopping – do it yourself); ¨ – kann der Betreiber von SAT-Netzen seine Ubertragungsqualit¨ at (BER) und Diensteverf u¨ gbarkeit (in % der Zeit) selbst bestimmen und einstellen; – kann der Betreiber sein Netz billiger und schneller rekonfigurieren, wenn sich a¨ ndernde Verkehrsprofile dies erfordern; – wird die Satellitenl¨osung kosteng¨unstiger in Anschaffung und Betrieb als die terrestrische Alternative. 8.3.1 Die Erdfunkstelle { das Terminal Vor vierzig Jahren hatte eine Erdfunkstelle, eine Kommunikationsantenne mit Infrastruktur, f u¨ r das Senden und Empfangen von Satellitensignalen, einen Durchmesser von 30 m und mehr und war voll nachf u¨ hrf¨ahig um gegebenenfalls auch mit umlaufenden Satelliten arbeiten zu k¨onnen. Sie speiste die Signale ins o¨ ffentliche W¨ahlnetz ein, sp¨ater auch ins Internet. Die Erdfunkstellen, die so teuer waren wie die Satelliten, waren charakterisiert durch: – – – – –

grosse, festinstallierte, langfristig betriebene Anlagen Besitz und Betrieb durch die Telekommunikations-Regierungsbeh¨orden technische Komplexit¨at und insbesondere propriet¨are Technologien hohe Beschaffungs- und Betriebskosten begrenzte Interkonnektivit¨at

Heute ist eine so genannte Erdfunkstelle eher eine – Very Small Aperture Terminal (VSAT, ein Terminal kleiner Apertur mit < 1,5 m Durchmesser), das kommerziellen Teilnehmern wie auch lokalen und nationalen Regierungsstellen Kommunikationsdienste vermittelt, von niedrigen Bitraten (Telefonie, Daten) bis Breitband-Daten, Video und Down-Loading – Teilnehmer Direct-to-Home (DTH) Fernsehdirektempfangsanlage mit einer kleinen Parabol-Antenne (< 1 m Durchmesser) und einem Digital-Set-Top-Box Empf¨anger (STB) f u¨ r den Empfang von digitalen Programmen – Batteriegetriebene mobile Transceiver f u¨ r Satellitenkommunikation mit niedrigen Bitraten (Duplex Sprache und/oder Daten), das auch Location Data, der geografische Ort des Teilnehmers, per Global Positioning Satellite (GPS) ermittelt und an die Basisstation u¨ bermittelt. In den n¨achsten Jahren wird der Fortschritt in der Herstellung von Low-Cost Receive-Only und High-Speed Interactive Earth Stations den Erfolg der Satellitenindustrie bestimmen, mehr so als die Entwicklung und die Kosten der Satelliten. Nach 40 Jahren Satellitentechnik sind die Erdfunkstellen gekennzeichnet durch:

8.3 Kleinere Erdfunkstellen

273

– hohe Mobilit¨at – privatwirtschaftliche Besitzer und Netzwerkbetreiber – h¨ochste Integrationtechniken, fortgeschrittene Standardisierung und Interoperabilit¨at – vergleichbar niedrigere Kosten – saumlose und flexible Vernetzung mit den terrestrischen Infrastrukturen. Seit der erste kommerzielle Satellit von COMSAT f u¨ r Intelsat 1965 gestartet wurde, haben die Hersteller die (EIRP) der C-Band Transponder von circa 10 dBW in 50 MHz (0,2 W/MHz) auf 55 dBW in 36 MHz (8 784 W/MHz) gesteigert. Mit den leistungsgesteigerten Satelliten k¨onnen heute die Anforderungen an die Antennen am Boden entsprechend reduziert werden. Die ursp¨ungliche IntelsatAntenne mit 30 m Durchmesser (Standard A) mutierte bis in den Standard G mit 1 m Durchmesser (f u¨ r ortsfeste Dienste) – ein Faktor 30, also 900 mal weniger Antennengewinn, die von der Satellitensendeleistung kompensiert wird.Allerdings werden weitere Steigerungen der Satellitenleistung nicht zu weiteren Reduzierungen des Antennendurchmessers f u¨ hren k¨onnen, da – der auf die Erde gerichteten Sendeleistung Grenzen gesetzt sind, und – die heute u¨ blichen VSAT-Antennen eher gr¨osser als kleiner werden m¨ussen, um St¨orungen benachbarter Satelliten zu reduzieren. Die Umlaufbahn wird immer dichter besetzt, die Abst¨ande zum im gleichen Frequenzband arbeitenden Nachbarsatelliten immer kleiner, so dass sein Schutz vor der eigenen Ausstrahlung und der Schutz des eigenen Empfangs vor der St¨orung durch den Nachbarsatelliten immer gr¨ossere Direktivit¨at der Erdfunkstelle auf den eigenen Satelliten erfordert, also immer gr¨ossere Antennen. Die ersten Satellitensysteme sind heute schon nicht mehr leistungs- oder bandbreitenbegrenzt,sondern st¨orungsbegrenzt (interference limited). Die Direktivit¨at der Erdfunkstellenantenne kann nur mit ihrer Apertur, und damit ihrem Durchmesser, gesteigert werden. Die Separierung ¦ der Satelliten im Orbit als Funktion der Antennenhalbwertsbreite o verh¨alt sich wie tan o = (5,61/6,61) tan¦ /2 In Tabelle 8.1 sind C-Band und Ku-Band Standards f u¨ r Erdfunkstellen im IntelsatSystem und die jeweiligen Antennenhalbwertsbreiten o aufgezeigt.

Tabelle 8.1 Die Standards der INTELSAT Erdfunkstellen Standard Aold Anew B&C G Durchmesser ≥ 30 m 15–17 m 11–13 m 0,8–1,2 m Halbwertsbreite o 0,11◦ (6 GHz) 0,21◦ (6 GHz) 0,11◦ (14 GHz) 1,50◦ (14 GHz) Projiziert in den Orbit 0,09◦ 0,18◦ 0,10◦ 1,30◦ ◦ ◦ ◦ 10 dB-Distanz im Orbit 0,28 0,55 0,31 4,00◦ ◦ ◦ ◦ 20 dB Distanz im Orbit 0,90 1,70 1,00 12,0◦

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8 Moderne Satellitenkommunikation

W¨ahrend die Antennen nach Standard-A, -B und -C gute Direktivit¨at aufweisen, die sowohl hinreichenden Schutz der benachbarten Satelliten, als auch vor den benachbarten Satelliten garantiert, hat die Antenne Standard-G einen Abfall von 3 dB relativ zur Strahlachse (die Halbwertsbreite projiziert in den Orbit) erst nach ±0,65◦ , einen Abfall von 10 dB relativ zur Strahlachse (die „10 dB-Distanz“) erst nach ±2,0◦ und einen Abfall von 20 dB nach ±6,0◦ . Wollte man die St¨orung der Nachbarsatelliten auf einen Wert 20 dB unter der eigenen Tr¨agerleistung begrenzen, m¨ussten sie mindestens ±6,0◦ Abstand im Orbit einhalten.  Der exzessive Orbitbedarf spricht klar gegen Terminalantennen < 1,5 m. H¨alt man die Sendeleistung des Terminals um eine Gr¨ossenordung (10 dB) unter der mittleren Sendeleistung der anderen Stationen, kommt man zwar mit der 10 dB Distanz zu einer akzeptablen Orbitbesetzung (±2,0◦ zum Nachbarn); die kleine Antenne empf¨angt aber bei 11 GHz mit etwa −4 dB relativ zur Stahlachse, kann also die Empfangsst¨orung der benachbarten Satelliten nicht hinreichend diskriminieren.Wenn diese im Mittel 10 dB u¨ ber der eigenen Empfangsleistung liegen, sind sie trotz des −4 dB-Empfangs immer noch 6 dB st¨arker als das eigene Signal. Die urspr¨ungliche Inmarsat-1-Antenne auf dem Schiff mit 1,2 m Durchmesser ¨ (23 dBi Gewinn im L-Band) f u¨ r die Ubertragung von einem analogen Sprachkanal, arbeitete mit einem Satelliten m¨assiger Sendeleistung, der dortmals Stand der Technik war. Die heutigen Satelliten der Inmarsat-4 Klasse, die Thuraja (f u¨ r die Gebiete Naher Osten, Europa, Asien), ACeS (Indonesien, China), MTSATs (Japan, Korea) mit ihren 12 m bis 18 m grossen Satellitenantennen erlauben Datenraten bis zu 492 kb/s mit „Erdfunkstellen“ ohne Gewinn (0 dBi, omnidirektionale NullGewinn-Stummelantennen am Handy). Die Mobiltelefone sind meist hybrid; sie arbeiten sowohl mit dem Satelliten als auch mit den terrestrischen GSM bzw. UMTS Netzen. Neben der interaktiven Kommunikation mit niedrigen Bitraten k¨onnen sie auch Daten-Rundfunk (Broadcast) mit hohen Bitraten empfangen (Receive Only), wie z.B. allgemeines Down-Loading, Video Streaming etc.

8.3.2 Die Kosten der Erdfunkstelle Die Kosten der Terminals h¨angen wesentlich ab von der Art der zu bedienenden Dienste; Satelliten-Dienste beinhalten Ortsfeste Dienste (Fixed Satellite Service; FSS) Mobilfunk (Mobile Satellite Service; MSS) Rundfunk (Broadcast Satellite Service; BSS; including DTH Services) Ortungsdiensten (Radio Determination Satellite Service; RDSS, bei der der Teilnehmer geortet wird) – Ortungsdienste (Global Navigation Satellite Service; GNSS, bei der der Teilnehmer seinen Ort bestimmt). – – – –

8.3 Kleinere Erdfunkstellen

275

Weiterhin h¨angen die Kosten von den folgenden Faktoren ab: – Der Netzwerktopologie, z.B. das Stern-Netz, das voll vermaschte Netz, oder das Hybridnetz; die Funktionalit¨at, z.B. Receive-Only oder interaktivem Betrieb, und der Satellitenkapazit¨at, z.B. fester Bandbreitenreservierung oder bedarfsabh¨angiger Zuteilung etc. ¨ – Der Leistungsanforderung, also Verf u¨ gbarkeit des Dienstes, Qualit¨at der Ubermittlung, die Datenrate etc. – Den Parametern des Terminals, z.B. Gr¨osse (und dem Gewinn) der Antenne, ihrem Gewicht, den Anforderungen der Aufstellung (auf Frosttiefe gesetztes Fundament, Leistungszuf u¨ hrung, Blitzschutz, geplante Lebensdauer etc.) Nat¨urlich will der Nutzer immer billigere Terminals, insbesondere im Direktempfang von Fernsehen (Direct-to-Home; DTH), Empfang von Audio (Digital Audio Broadcast; DAB bzw. DARS in USA), Mobilfunk (MSS) und auch den konventionellen ortsfesten Diensten (FSS). Dies ist die Herausforderung an die Hersteller, die mit ausgewogenem Design und insbesondere mit der Massenproduktion arbeiten; diese ist bei Fernsehempfang am ehesten gegeben,beim Mobilfunk an zweiter Stelle und bei FSS am wenigsten. Tabelle 8.2 Kosten von Bodenstationen Erdfunkstellenstandard Intelsat Standard Aold Intelsat Standard Anew Broadband interactive VSAT (Mesh Topology) Broadband interactive VSAT (Star Topology) Handy (Mobile) Receive-Only DTH Terminal

Typische Kosten ≥ 20 000 000 € ≥ 10 000 000 € 2000–4000 € 1000–2000 € 500–1000 € 50–200 €3

8.3.3 Der Aufbau der Erdfunkstelle Eine Erdfunkstelle besteht aus der Out-Door-Unit (ODU) auf einem Fundament einschliesslich Leistungsversorgung und Blitzschutz, der In-Door-Unit (IDU) und dem Anschluss zum Geb¨aude. Die im Freien stehende ODU besteht aus der Sendeund Empfangsantenne und dem unmittelbar an der Antenne angebrachten Hochfrequenzteil, dem Radio Frequency (RF) Transceiver. Sendeseitige Effizienz ist dann gegeben, wenn der Sendeverst¨arker so nahe wie m¨oglich an der Antenne ist, im Limit im Focus. Die empfangsseitige G¨ute der Antenne ist dann gegeben, wenn der rauscharme Vorverst¨arker so nahe wie m¨oglich an der Antenne ist, typischerweise im Focus. Die teilweise Abschattung der Antennenapertur durch die Verst¨arker wird bei Offset-Antennen vermieden, bei denen diese ausserhalb des Gesichtsfeldes der Antennenapertur platziert sind. 3

ohne Installation

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8 Moderne Satellitenkommunikation

Die Verbindung ODU/IDU zum Geb¨aude besteht aus IF-Kabel (Intermediate Frequency), die in der Zwischenfrequenz, und der Stromversorgung. Die Basis-Band Subsysteme und alle Folgeger¨ate sind im Geb¨aude oder zumindest einem geeigneten Container beherbergt, in der IDU. 8.3.4 Parabolantennen Die Antenne ist das augenf¨alligste Subsystem einer Erdfunkstelle; sie ist meist ein Parabolreflektor mit einer Richtwirkung, in die elektrische Sendeleistung konzentriet ist; je kleiner die Antenne ist, desto gr¨osser der Rundumstrahlungseffekt. Das gebr¨auchlichste Terminal besteht aus den folgenden Komponenten: – dem Parabolreflektor, – dem Speisesystem, zentral gespeist (center-fed) in der Strahlachse der Antenne, oder seitlich eingespeist (off-set fed), neben der Strahlachse, die Apertur der Antenne nicht blockierend, – dem Ortho Mode Transducer (OMT), der die beiden orthogonal polarisierten Empfangssignale separiert und meist Transmit Reject Filter integriert. Der Gewinnfaktor der Antenne ist proportional zum Quadrat des Durchmessers und zum Quadrat der Arbeitsfrequenz. Es gibt weitere Parabolantennen wie die Torusantenne und ellipsoide Formen, f u¨ r den gleichzeitigen Empfang mehrerer dislozierter Satelliten. Diese MultibeamAntennen empfangen z.B. ein Unterhaltungsprogramm von einer Orbitalposition, und gleichzeitig ein zweites Signal, z.B. einen breitbandigen Internetzugriff, von einem Satelliten auf einer anderen Orbitalposition. Andere Arten von Antennen sind – – – –

Helixantennen; (Cork Screw Antennas) Monopol und Dipol Antennen (wie wir sie im Handy haben) planare Reflektoren mit fest installierter „Blickrichtung“ (Flat Patch Antennas) elektronisch gesteuerte Phased Array Antennen (Agile Phased Arrays), f u¨ r den Einsatz im Mobilfunk.

8.3.5 Phased Array Antenna Die so genannten Phased Array Antennas (Gruppenstrahler) sind Anordnungen von Einzelstrahlern (Monopolen oder Dipolen), die so in Amplitude und Phase angesteuert werden, dass sie eine Direktivit¨at in Zielrichtung bilden, wie Parabolantennen gleicher Apertur. Im Gegensatz zu ihnen zeichnen sie sich aus durch – potentiell niedrigere Kosten, da insgesamt in Halbleitertechnik realisierbar; die Kosten von Halbleitern fallen mit den St¨uckzahlen – Low Profile – (Inconspiguouity) – sie sind zweidimensional, ohne das herausragende Speisesystem in der dritten Dimension – Phased Arrays k¨onnen in anderen Materialien eingebracht werden (Embedded Antennas) und in fast jeder Struktur mit flacher oder gekr¨ummter Oberfl¨ache (Conformal Arrays) realisiert werden

8.3 Kleinere Erdfunkstellen

277

– sie k¨onnen in multiplen Fraktalfl¨achen aufgeteilt werden, die z.B. auf einem Vehikel verteilt angebracht werden k¨onnen – die Nachf u¨ hrung des/der Satelliten ist unendlich schnell, weil elektronisch und ohne mechanisch bewegliche Teile (Agile Phased Array Antennas) – es k¨onnen mehrere „Beams“ gleichzeitig und unabh¨angig gebildet werden, um mehrere dislozierte Satelliten zu empfangen – es k¨onnen mehrere „Nullen“, Stellen unterdr¨uckten Empfangs gebildet werden, um St¨orer auszublenden („nulling“,„interference robustness“; „anti-jamming“) – sie werden bislang in kleinen St¨uckzahlen hergestellt, also (noch) zu h¨oheren Kosten. Phased Arrays haben den gleichen Antennengewinn wie Parabolantennen gleicher Apertur, niedrigeres Gewicht, nur zwei Dimensionen, keine mechanisch beweglichen Teile bei der Nachfu¨ hrung und sie k¨onnen St¨orer ausblenden. Im Falle eines mechanischen Einschlages funktioniert die Antenne weiter mit der Fl¨ache,die nicht von dem Einschlag betroffen ist, w¨ahrend Parabolantennen nach einem Einschlag defokusiert und damit funktionsunt¨uchtig sind. 8.3.6 Hochfrequenzsender und -empfanger Der Hochfrequenzsender (RF Amp) ist oft der Kostentreiber eines Terminals (die Receive-Only Einheiten, die nur einen rauscharmen Verst¨arker (Low Noise Block; LNB) und Frequenzumsetzer ben¨otigen, sind die Ausnahme zu dieser Regel). Die geforderte Sendeleistung bestimmt die Kosten in den VSAT Anlagen. Die gesamte Sendekette beinhaltet den Leistungsverst¨arker (meist Solid State Power Amplifier; SSPA) oder den Block Up-Converter (BUC), der das Signal auf die Sendefrequenz umsetzt und es dann verst¨arkt. Nur mit Standardisierung dieser Bauteile wird es der Satellitenindustrie m¨oglich werden, die Kosten dieser Subsysteme wesentlich zu reduzieren, insbesondere auch die des RF Transceivers. Die Herstellungskosten des SSPA und/oder BUC k¨onnen reduziert werden durch – – – – –

Standardisierung der Luftschnittstelle (Air Interface Standards) Produktion von RF Chip Sets in gr¨osseren St¨uckzahlen zur Kostensenkung Large Scale Integration der Hochfrequenzbauteile mit Baseband Chipsets verbesserte Sendeverst¨arkereffizienz durch Linearisierung Verwendung von Plastic Packaging, Surface Mount Technology (SMT) und Multi-Chip Module (MCM) Technologie f u¨ r automatisierte Herstellung und Pr¨ufung (Automated Assembly and Testing).

8.3.7 Erdfunkstellenstandards Die Hersteller von Bodenstationen und -ger¨aten bieten laufend neue Leistungen und Funktionen an, um die Kosten f u¨ r Kauf, Installation, Betrieb und Wartung der Stationen zu senken. Ein wesentliches Element ist hier die allgemeine Abkehr von propriet¨aren Erdfunkstellenstandards hin zu offenen Standards (Open Standards). Diese f u¨ hren f u¨ r die Betreiber der Erdfunkstellen zu

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8 Moderne Satellitenkommunikation

– Interoperabilit¨at, also niedrigeren Integrierungskosten – breitem Wettbewerb, niedrigere Kosten und gr¨ossere Auswahl – die M¨oglichkeit des Upgrades, kleineres Risiko der Obsoleszenz der Ger¨ate. Die Open Standards erlauben dem Hersteller erh¨ohte Integration, die die Kosten reduziert und die Zuverl¨assigkeit der Ger¨ate erh¨oht. Die Standardisierung f o¨ rdert die Zusammenarbeit der Hersteller und den Wettbewerb bei Subsystemen und Komponenten. Sie f u¨ hrt zu den Commercial Off The Shelf (COTS) Ger¨aten und z.B. zu den DVB-RCS Terminals mit „silicon-plus-software solutions“ einschliesslich Digitaler Modems, Intermediate Frequency (IF) Modulatoren und „embedded MAC layer protocol stacks“. Die Hersteller von Erdfunkstellen gehen in die Richtung „Open Standards“: – das DVB-S (Digital Video Broadcast – Satellite) ist eine Luftschnittstelle (Air Interface Standard), die das Modulationsverfahren und die Codiertechnik f u¨ r Audio, Video und Datenrundfunk (Data Broadcasting Services via Satellite) festlegt; dieser Standard wurde u¨ berwiegend von den DTH Service Providern angenommen (es gibt heute auch in den USA mehr als 20 Millionen Teilnehmer), wie auch bei den VSAT Herstellern und System-Integratoren f u¨ r das Outbound Link in Satellite Return Channel Broadband Access Networks; – DVB-DSNG (Digital Video Broadcast – Digital Satellite News Gathering) ist eine Erweiterung des DVB-S, die mit spektrumseffizienter 16QAM Modulation f u¨ r Satellite News Gathering und Contribution Services eingesetzt wird; – GMR (Geo-Mobile Radio) and GMPRS sind Air Interface Standards f u¨ r leistungsvermittelten Mobilfunk (z.B. GSM) und paketvermittelten Datenfunk (z.B. GPRS) auch u¨ ber Hochleistungs-L-Band Satelliten (z.B. Thuraya Satellite Telecommunications, Asia Cellular Satellite (ACeS) und Inmarsat-4; – DVB-RCS (Return Channel System) und DOCSIS (Data Over Cable Service Interface Specification) sind konkurrierende Standards f u¨ r breitbandigen Internet Zugriff, die preisg¨unstige Terminals, niedrigere Dienstleistungskosten und Interoperabilit¨at versprechen; VSAT- und Komponentenhersteller entwickeln die Hub Stations, interaktive Terminals, Modem-Chipsets, Protocol Stacks, Testger¨ate, Third Party Security Applications und Performance Enhancements; – TCP/IP (Transport Control Protocol/Internet Protocol) ist der de-facto-Standard f u¨ r die Kommunikation auf Netzebene (Network Layer Communications); Anbieter von Bodenstationen haben Embedded Protocol Stacks mit Routing and Quality of Service (QoS) und oft sogar in Low Bit Rate Mobile Data Terminals um die Netzkontrolle und -verwaltung zu vereinfachen und die Integration mit den Firmen-IT-Systemen zu erleichtern; – IPoS (IP over Satellite) ist ein f u¨ r allgemeine Software Platforms vorgeschlager Standard; hier werden Drivers f u¨ r the Low Level Physical Interfaces entwickelt,Basic TCP/IP Functions definiert,Web Caching (das Herunterladen grosser Dateien) und Performance Enhancing Proxies (PEP) hergestellt, die TCP- und HTTP-Verkehr via Satellit beschleunigen; – MPEG ist eine Familie von Audio- und Videokompandierungsstandards, die einen breiten Anwenderkreis, u¨ ber Broadcast hinaus, gefunden haben; im

8.3 Kleinere Erdfunkstellen

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Verbund mit h¨oherwertigen Modulationsverfahren (16QAM bis, zuk¨unftig, 256QAM) f u¨ hrt dies zu deutlichen Bandbreiteneinsparungen; MPEG-4 ist das Transport Stream (TS) Format im DVB-S2 Standard, der auch Multiplexing von MPEG-2 TS und -4 TS und generische Streams mit IP-Verkehr unterst¨utzt. – die Intelsat Intermediate Data Rate (IDR) Modemtechnologie erlaubt Bodenstationen verschiedener Hersteller und Betreiber zusammen zu arbeiten. 8.3.8 Erdfunkstellentechnologietrends Der Markt bietet heute fortgeschrittene Technologien um Satellitenfernsehen und -kommunikationsdienste f u¨ r die Einzelnutzer und Unternehmen zu gestalten – von weiterentwickelten Terminaltechnologien mit rekonfigurierbaren Sortware Defined Radios bis zu Low-Cost Ka-Band-Transceivers. Der wesentliche Technologietrend in der Satellitenindustrie sind jedoch IP Based Systems um dem Wachstum von Broadband Internet via Satellite gerecht zu werden. Dieser Markt wird von Multimedia Content Streaming und Multicasting Applications getrieben, aber auch von den traditionellen Satellitendiensten wie Ruraltelephonie und Broadcast TV over IP based Networks. Die meisten heutigen Terminals, broadband und narrowband, sind IP Enabled und unterst¨utzen ein Bouquet von Enhancements, die Verbindungen u¨ ber Satelliten f u¨ r den Endnutzer transparent machen. Die nahtlose Integration mit der terrestrischen Infrastruktur ist eine Forderung jedes Systems, Festnetz oder Mobilfunk, und sie wird von Terminals mit Embedded IP Stacks erf u¨ llt. In den Breitband-Terminals werden oft einige Value-Added IP Network-Features integriert um Sicherheit, Leistung und Funktionalit¨at zu steigern. Mit Closed SetTop Box (STB) oder offener Software auf dem PC unterst¨utzen diese Terminals Windows, LINUX oder auch in Echtzeit arbeitende Betriebssysteme, mit StandAlone-, Client- oder Peer-to-Peer-Software4 und/oder Third Party Hardware um die folgenden IP-Anwendungen zu implementieren: – Firewalls und Virus Scans – Verschl¨usselung – Domain Name Server (DNS) Caching – TCP-Beschleunigung – Web Caching – VoIP (Voice over IP) – IP-Multicasting

– Virtual Private Networks (VPN) – Network Address Translation (NAT) – Performance Enhancing Proxy (PEP)5 – Datenkomprimierung – Pre-Fetching – Desktop-Video-Konferenz – Video- und Audiostreaming

Weitere wichtige Trends bei Bodenstationstechnologien sind: – Ka-Band Transceiver: Der Start weiterer Breitbandsatellitendienste (wie SpaceWay und WildBlue) wird die Produktion von Ka-Band Transceivers antreiben: 4 5

Peer-to-Peer Interchanges sind Links zwischen Internet Service Providers (IPS) Technologien, die die Leistung beim Web Browsing, e-Commerce und anderen InternetAnwendungen steigern

280

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8 Moderne Satellitenkommunikation

3 W Sendeleistung im Bereich 29,5 bis 30,0 GHz mit Empfang bei 19,7 bis 20,2 GHz, der gesamte Transceiver integriert in einem Paket; Zielpreis ist $200 bei Bestellung von 100 000 Einheiten; Linearisierung: Es werden vermehrt Digital Signal Processing (DSP) zur Linearisierung von Leistungsverst¨arkern eingesetzt; mit Pr¨a-Kompensierung wird der Ausgang von nichtlinearen Modulatoren und Verst¨arkern in Amplitude und Phase liniearisiert; diese Technologie, seit langem in Satelliten eingesetzt, senkt die Kosten der Hochfrequenz-Transceiver in Bodenterminals; H¨oherwertige Modems: Bandbreiten- und leistungseffiziente Satellitenmodems mit h¨oherwertigen Modulationsverfahren (16QAM etc.) und h¨ochst wirksamer Forward Error Correction (FEC) Codierung (TPC und LDPC6 ) sind bereits auf dem Markt, f u¨ r herk¨ommliche Point-to-Point; Aufrechterhaltung der Signalqualit¨at auch bei Regen mit adaptiven Bitraten, adaptiven Codiertechniken, adaptiven Modulationsverfahren und Lastabwurf, um die ged¨ampfte Signalleistung der verbleibenden Tr¨ager zu kompensieren; Software Radio7 : Satellitenterminals in der milit¨arischen Anwendung sind f u¨ r den Betrieb in mehreren Frequenzb¨andern und mit multiplen Air Interface Protocols ausgelegt und werden mehr in Software als in Hardware implementiert; Software Radio hat auch im kommerziellen Sektor Fuss gefasst; der Verfall der Kosten f u¨ r die Signalverarbeitung ist deutlich; Hybride Terminals: Bereits implementiert sind mobile Termials (Handys), die verschiedene offene und auch propriet¨are Standards verwenden, um Gespr¨ache zu vermitteln und u¨ ber terrestrische oder Satelliten zu routen; Advanced Videocompression: MPEG-4 and WM9 Hardware- und SoftwareDecoder werden in Breitband-Satellitenterminals integriert, z.T. in Handys8 .

8.4 Hohere Frequenzbereiche 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. Der Fortschritt in den Satellitenkommunikationstechniken erstreckt sich insbesondere auch auf die Fachgebiete Signalmodulation und -codierung. Die Frequenzb¨ander f u¨ r die ortsfeste Satellitenkommunikation (Fixed Satellite Services; FSS), Satellitenmobilfunk (Mobile Satellite Services; MSS) und Satellitenrundfunk (Broadcast Satellite Service; BSS) von 1 bis 100 GHz sind in Tabelle 8.1 gezeigt. Die im Ku-Band entstandenen VSAT-Netze beginnen heute in das Ka-Band zu migrieren, wo ca. 3000 MHz Bandbreite verfu¨ gbar sind. Der n¨achste Schritt wird in das Q/V-Band sein, in dem weitere 3 000 MHz erschlossen werden k¨onnen. Danach folgt der Schritt in die Laser-Kommunikation, auch zwischen Satellit und Boden, die heute schon zum Teil operationell eingesetzt wird. F¨ur die unterbrechungsfreie Dienstleistung ist hier auch nicht mehr notwendig, als schon f u¨ r 6 7 8

Low Density Parity Check Codes, ein Codierverfahren, das die Shannon-Grenze erreicht eigentlich Software Defined Radio (SDR) z.B. Handys der Mobile Broadcast Satellite Corporation (MBSC) in Japan und in S¨ud-Korea

8.5 H¨oherwertige Modulationstechniken

281

Tabelle 8.3 Frequenzb¨ander f¨ur Fixed Satellite Services; FSS, Mobile Satellite Services; MSS und Broadcast Satellite Service; BSS, von 1 bis 100 GHz, Region 1 Dienst

Bandname

BSS MSS

L-Band L-Band

BSS FSS

S-Band S-Band C-Band

FSS/MSS FSS/BSS

X-Band Ku-Band

FSS BSS FSS/BS MSS FSS MSS/FSS FSS/MSS

Ka-Band Ka-Band Q-Band V-Band W-Band

Aufw¨artsfrequenz 1,610 – 1,6605 GHz 1,980 – 2,0100 GHz 2,670 – 2,6900 GHz 5,150 – 5,250 GHz 5,725 – 7,075 GHz 7,900 – 8,400 GHz 12,50 – 13,25 GHz 13,75 – 14,80 GHz 17,30 – 18,10 GHz 27,50 – 31,00 GHz 42,50 – 43,50 GHz 43,50 – 47,00 GHz 50,40 – 51,40 GHz 66,00 – 76,00 GHz 81,00 – 86,00 GHz

Abw¨artsfrequenz 1,452 – 1,492 GHz 1,525 – 1,559 GHz 2,170 – 2,200 GHz 2,4835 – 2,52 GHz 2,520 – 2,670 GHz 3,400 – 4,200 GHz 4,500 – 4,800 GHz 7,250 – 7,750 GHz 10,70 – 13,25 GHz 15,43 – 15,63 GHz 17,70 – 21,20 GHz 21,40 – 22,00 GHz 37,50 – 42,50 GHz 43,50 – 47,00 GHz 47,20 – 50,20 GHz 66,00 – 76,00 GHz 81,00 – 86,00 GHz

die Nutzung von 20/30 GHz (Ka-Band), insbesondere aber 43/46 GHz (Q-Band) getan wird - die verschiedenen u¨ bertragungstechnischen Eingriffe, Protokolle und topologischen Massnahmen zur Vermeidung von wetterbedingten Ausf¨allen.

8.5 Hoherwertige Modulationstechniken Der Fortschritt der Technologie in der Satellitenkommunikation erstreckt sich insbesondere auch auf die Fachgebiete Signalmodulation und -codierung. Hier kann eine weitere Steigerung der Nutzung des Space Segments durch den Einsatz h¨oherwertiger Modulationsverfahren erreicht werden, die mehr Sendeleistung erfordern,aber mit weniger Bandbreite arbeiten.Die 16QAM- statt QPSK-Modulation bringt f u¨ r 3 dB Leistungserh¨ohung die dringend ben¨otigte Bandbreiteneffizienz ¨ (2 b/Hz statt 1 b/Hz) die f u¨ r die breitbandige, interaktive Ubertragung (Broadband Interactive Multimedia) ben¨otigt wird. Wichtig ist der Schritt zu QAM, weg von PSK; f u¨ r das gleiche Eb −No von 17,7 dB hat 16PSK 16 Baud (`a 4 bit), 128QAM 128 Baud (`a 7 bit, bei der gleicher Bitfehlerrate ¨ von 10−5 ), fast eine Verdoppelung der Ubertragungskapazit¨ at. Unbedacht ist auch die Wahl von 8QPSK, das drei bit pro Zustand transportiert; f u¨ r nur 0,5 dB mehr Sendeleistung bekommt man 16QAM, das vier bit pro Zustand hat.

282

8 Moderne Satellitenkommunikation

8.6 Intelligentere Codierverfahren und Chiffriermethoden Der Fortschritt in der Technologie der Satellitenkommunikation erstreckt sich insbesondere auch auf die Kanalcodierung. Die zeitgem¨assen Turbocodes f u¨ r den ¨ Fehlerschutz der Ubertragung auf dem Satellitenkanal bieten bis zu 10 dB Codier¨ gewinn – ein Vorteil, der 10 dB Ubertragungsleistung einspart, und damit auch die ¨ Ubertragung in der H¨ochstfrequenz erm¨oglicht. Auf die iterative Verarbeitung der Codes wurde von Robert Gallager schon 1959 hingewiesen (mit seinem Low Density Parity Check Code, LDPC), es fehlte zu der Zeit jedoch noch die Prozessortechnologie, um dies in akzeptabler Echtzeit zu bewerkstelligen. MacKay und andere haben die Stunde der Realisierung erkannt, und wir k¨onnen mit heutigen Prozessoren, deren Kosten kontinuierlich fallen, am Shannon-Limit arbeiten, der so genannte Gap to the Limit ist geschlossen.

8.7 Effektivere Nutzung mit hochster Signalkomprimierung 8.7.1 Sprachkompression ¨ Die Kompression der menschlichen Sprache f u¨ r die effiziente Ubertragung ist ein interessantes Kapitel. Bereits 1976 wurde LPC109 mit 2,4 kb/s in der NATO standardisiert. Die Signalqualit¨at von 2,4 kb/s Sprache l¨asst nichts zu w¨unschen u¨ brig. Dennoch haben die staatlich-monopolistischen Fernmeldebeh¨orden Europas noch ¨ zehn Jahre sp¨ater ISDN mit 144 kb/s Ubertragungsrate eingef u¨ hrt. Die Geb¨uhr10 f u¨ r die um den Faktor 60 zu hohe Bandbreite bezahlte der „Kunde“ (eine Vokabel, die es dortmals in diesem Umfeld nicht gab). Auf der Telecom-Konferenz in Genf 1979, wurde ein 50 b/s Vocoder vorgef u¨ hrt, der verst¨andliche menschliche Sprache u¨ bertrug. Es wundert nicht, dass 50 b/s hierf u¨ r ausreichen, da das menschliche Hirn wohl nicht mehr als 50 bit/s verarbeiten kann, also alles, was u¨ ber dieses Datenvolumen hinausgeht, ohnehin nicht wahrgenommen werden kann. Erst mit den Mobilfunksystemen, terrestrisch und via Satellit (Iridium, Global¨ star, Thuraya etc.) wurde dann (endlich) die 2.4 kb/s Ubertragungsrate eingef u¨ hrt. Vereinzelt findet man so genannte Half-Rates mit 1,2 kb/s (immer noch 24 mal mehr Daten als der Mensch aufnehmen kann). 8.7.2 Videokompression Neben der Entwicklung des DVB-S2 wurden noch leistungsst¨arkere Kompressionen f u¨ r Video und Daten erarbeitet.Video wird um 10% bis 12% pro Jahr verdichtet, seit rund zehn Jahren, mit Hardware und Software Codecs und Standards wie H.264, WM9 und MPEG-4. Im Gegensatz zu MPEG-2/DVB-S ben¨otigt MPEG-4 nur 45% 9 10

Linear Predictive Coder of 10th order in der Zeit der monopolitischen staatlichen Fernmeldebeh¨orden war es eher eine Steuer, als eine betriebswirtschaftlich fundierte Abgabe

8.8 Dynamische Zugriffsverfahren

283

der Bandbreite f u¨ r die gleiche Bildqualit¨at und Robustheit. Mit DVB-S2/MPEG-4 k¨onnen 20 bis 25 SDTV oder 5 bis 6 HDTV Programme in einem 36 MHz Satellitentransponder u¨ bertragen werden.  MPEG-4 ben¨otigt nur 1/3 der Bandbreite von MPEG-2. Die Datenkompressionstechniken sind in den letzten zehn Jahren deutlich weiter entwickelt worden. Neue abstimmbare verlustfreie Context- und Nutzervokabularabh¨angige Verfahren f u¨ r die Komprimierung von statischem und dynamischen Web-Content, das oft sehr redundant ist, wurden entwickelt. Single Pass Sequential Data Compression Algorithmen erreichen Kompressionsraten von 5 : 1, in Echtzeit, im Gegensatz zu dem 2 : 1 mit herk¨ommlichen Technologien.

8.8 Dynamische Zugriffsverfahren TDMA, SCPC und CDMA sind heute f u¨ r bedarfsabh¨angigen (dynamischen) Vielfachzugriff (Demand Assigned Multiple Access; DAMA) verf u¨ gbar, und jedes dieser Verfahren hat seine Attribute und Kosten; die Auswahl des geeigneten Verfahrens f u¨ r eine Anwendung h¨angt von den speziellen Anforderungen ab; die geschickte ¨ Auswahl macht die Nutzung der Ubertragungsressource effizienter. Festgel¨otete Point-to-Point Verbindungen (P-2-P Links) da, wo nicht 24 Stunden am Tag durchgehender Verkehr ist, ist Ressourcen- und damit Geldverschwendung. FDMA war der Vielfachzugriff der Wahl in der analogen Technik. Mit digitalen Signalen bietet sich TDMA als das bandbreiteneffizientere Verfahren an. Ideal w¨are ein TDMA Summentr¨ager im Transponder. Dieser k¨onnte 64 Mb/s in 36 MHz u¨ bertragen, w¨urde aber bedeuten, dass jeder Teilnehmer, auch der, der nur einen 1,2 kb/s Sprachkanal empf¨angt, den 64 Mb/s schnellen Empf¨anger ben¨otigt. Eine kosteng¨unstigere L¨osung war der Kompromiss eines FDMA/TDMA Hybridbetriebs, wobei vier TDMA Tr¨ager a` 8 Mb/s in 36 HMz angeordnet wurden. Die Intermodulation der vier Tr¨ager war moderater als die von zw¨olf Tr¨agern (und deutlich moderater als die im regul¨aren FDMA Betrieb) und st¨orte zudem die digitalen, st¨orresistenten Tr¨ager weniger empfindlich als analoge Tr¨ager. Heute erlauben Digital Signal Processors z.B. zwei Tr¨ager a` 20 MHz, die zwar auch Intermodulation generieren, die den Wirktr¨agern Leistung wegnimmt, sie aber nicht beaufschlagt (ihnen kein Intermodulationsrauschen hinzuf u¨ gt). Es ist abzusehen, wann die Ger¨atetechnik den Einzeltr¨ager mit 128 Mb/s 16QAM in 36 MHz erm¨oglicht; dann kommt 256 Mb/s mit 256QAM, das 4,0 b/Hz u¨ bermittelt. CDMA ist nur in Sonderf¨allen von Vorteil, im kleinen Umfang und nicht f u¨ r die Vermittlung grosser Datenvolumina, so dass die geminderte Bandbreiteneffizienz nicht von Bedeutung ist.

284

8 Moderne Satellitenkommunikation

8.9 Operationell adaptive Sendeleistung Adaptive Power Control ¨ So wie fest gel¨otete Point-zu-Point Verbindungen die Ubertragungskapazit¨ at verschwenden, k¨onnen es auch festgesetzte Leistungspegel. Sendeleistungen f u¨ r eine ¨ Funkstrecke werden f u¨ r eine gew¨unschte Ubertragungsqualit¨ at und Verf u¨ gbarkeit dimensioniert (s.Kap.5).Die Linkverf u¨ gbarkeit einer Funkstrecke wird dann durch Funkst¨orung und das Wetter beeintr¨achtigt. Je h¨oher die Frequenz, desto st¨arker schlagen Niederschl¨age zu. Um die Qualit¨at w¨ahrend dieser Niederschl¨age aufrecht zu erhalten,muss eine entsprechend h¨ohere Sendeleistung vorgesehen werden,aber eben nur w¨ahrend die Niederschl¨age andauern. Danach kann die Leistung adaptiv zur¨uckgenommen werden (Adaptive Power Control; APC). Da es im Mittel nur 10% der Zeit regnet, beaufschlagen Bodenstationen ohne APC den Satellitentransponder 90% der Zeit mit um die vermeintliche Regend¨ampfung zu hoher Leistung. Entweder treiben sie den Arbeitspunkt des Transponders dabei in die S¨attigung, in der ungleich mehr Intermodulationsrauschen generiert wird (so dass die Streckenbilanz nicht mehr stimmt) oder man legt das System aus, dass sich der gew¨unschte Arbeitspunkt einstellt, wenn es nicht regnet, und h¨alt Transponderleistung vor f u¨ r den Regen; dann ist der Transponder 90% der Zeit untergenutzt, eine kostspielige Kapazit¨atsverschwendung. Uplink Power Control ist seit dreissig Jahren marktverf u¨ gbar und kosteng¨unstig und darf bei keiner Bodenstation fehlen,die nach wirtschaftlichenVorgaben betrieben werden soll. F¨ur die Leistungsregelung des Senders wird einfach die aktuelle Qualit¨at am anderen Ende der Strecke beobachtet und der Zustand zur¨uck gemeldet. Der empfangsseitige Decoder gibt in Echtzeit die Bitfehlerrate aus, die, zur¨uck gemeldet, zur Nachregelung der Sendeleistung eingesetzt wird. Damit werden Signald¨ampfungen durch Niederschl¨age auf der Aufw¨artsstrecke kompensiert und der Qualit¨atsstandard aufrechtgehalten. Die Reduzierung der Sendeleistung bei klarem Himmel (durchschnittlich 90% der Zeit) kommt auch der Lebensdauer der Sendeverst¨arker entgegen. Adaptive Power Control kann so ausgelegt werden, dass auch Signald¨ampfungen auf der Abw¨artsstrecke kompensiert werden. Die Aufrechterhaltung des nominellen Leistungsflusses auf der Abw¨artsstrecke ist noch wichtiger als die der Aufw¨artsstrecke ¨ wenn die Abw¨artsstrecke der Flaschenhals der Ubertragung ist. Die Erfassung der meteorologisch verursachten Signald¨ampfung erfolgt wie oben; die Separierung von Aufw¨arts- und Abw¨artsstrecke wird durch den Vergleich mehrerer Bodenstationen erreicht.Verliert ein Link an Qualit¨at, wenn benachbarte Stationen, die aus anderen Regionen empfangen, nominell weiter empfangen, dann muss es bei der Uplink-Station regnen und also ihre Sendeleistung angehoben werden. F¨allt die Qualit¨at einer Empfangsstation w¨ahrend die Qualit¨at anderer, von der gleichen Sendestation bedienten Empfangsstationen nicht ab, dann muss es an dieser Station lokal regnen oder schneien und ergo die Satellitensendeleistung des Tr¨agers zu dieser Station angehoben werden. Die Kompensierung der Abw¨artsstrecke durch Leistungssteigerung des Tr¨agers auf der Aufw¨artsstrecke wird so durchgef u¨ hrt und verzerrt die Aufw¨artsstrecke

8.9 Operationell adaptive Sendeleistung

285

auch nicht u¨ berm¨assig,da die Abw¨artsstrecke immer im niedrigeren Frequenzband liegt (4 GHz statt 6 GHz, 11 GHz statt 14 GHz, 20 GHz statt 30 GHz etc.), so dass auch die zu kompensierenden D¨ampfungswerte entsprechend kleiner sind. Adaptive Power Setting Neben der oben beschriebenen, tempor¨aren Leistungsnachregelung zur Kompensierung von Regend¨ampfung auf einzelnen Tr¨agern, kann man auch die Transponderleistung als Ganzes dem Verkehr anpassen, am Eingang und am Ausgang des Transponders. Am Eingang sieht man ein D¨ampfungsglied vor, das man w¨ahrend des Betriebs des Satelliten der aktuellen Nutzung entsprechend einstellt (Gain Setting). Wenn der Transponder vorwiegend von grossen Antennen angesteuert wird, d¨ampft man deren Leistung am Satelliteneingang, um den Transponder nicht zu u¨ bersteuern.Sind nur kleine Uplinkstationen in Betrieb,nimmt man die D¨ampfung heraus. Dieses Gain Setting arbeitet typisch u¨ ber einen Bereich von 20 dB und kann in Stufen (Gain Steps) von 1 bis 2 dB eingestellt werden. Adaptive Power Mode So wie fast alle Satelliten mit dem Gain Setting die Satelliteneingangsleistung kontrollieren, haben viele Satelliten verstellbare Ausgangsleistungen. Der einfachste Fall ist die Parallelschaltung von zwei Verst¨arkern zur Verdoppelung der Sendeleistung. Dies wurde schon bei INTELSA-II (1966) angewandt: es wurden vier R¨ohren a` 6 W parallel geschaltet, da es zu der Zeit noch keine st¨arkeren R¨ohren gab. Auch heute noch haben die Satellitenr¨ohren begrenzte Leistungen (75 W im C-Band, 130 W im Ku-Band etc.). In einem g¨angigen Satelliten mit etwa 100 Tranpondern werden 125 bis 133 R¨ohren installiert, um Redundanz zu haben. In der „ersten Halbzeit“ der Satellitenmission werden diese meist nicht operationell ben¨otigt, so dass sich ihr Einsatz in Parallelschaltungen anbietet. Neben der Leistungserh¨ohung durch Parallelschaltung vonVerst¨arkern verwendet man auch Verst¨arker variabler Leistung. Nat¨urlich kann man jeden Verst¨arker bei beliebiger Ausgangsleistung betreiben, er nimmt dabei aber immer die Betriebsleistung auf, wie bei der maximalen Ausgangsleistung (der S¨attigung). Multi-Mode Amplifiers k¨onnen im Gegensatz dazu auf einem Modus niedriger Leistung betrieben werden und nehmen dabei auch weniger Betriebsleistung auf. G¨angig sind R¨ohren mit drei Leistungsstufen (u.A. bei Marisat 1976 geflogen; s. Kap. 9), die man zum Beispiel in der mittleren Leistungsstufe betreibt. Ben¨otigt ein Transponder deutlich weniger Leistung, schaltet man ihn auf die niedrigere Stufe und kann mit der eingesparten Leistung einen anderen Transponder, der sie brauchen kann, in der h¨ocheren Stufe betreiben. Diese Multi-Mode Amplifiers gehen auch einher mit Transpondern variabler Bandbreite, Transponderbandbreiten, die w¨ahrend der Mission dem Verkehr angepasst werden k¨onnen (siehe folgendes Kapitel).

286

8 Moderne Satellitenkommunikation

8.10 Verkehrsangepasste Bandbreite Die Verkehrsprognose f u¨ r die Auslegung einer Satellitennutzlast u¨ ber ein Jahrzehnt und mehr zielsicher anzustellen, ist ein Ding der Unm¨oglichkeit. Deshalb, und auch aus Kostengr¨unden, stattet man die Satelliten mit Standard-Transpondern (meist 36 MHz breit) aus; selten ist je ein Satellit im Orbit dann u¨ ber alle seine Transponder hinweg homogen ausgelastet worden. Meist sind ein paar Transponder unterbelegt und in anderen Verbindungen reicht die Kapazit¨at nicht. Deshalb sind Transponder mit digitalen Bandpassfiltern, die im Orbit dem aktuellen Bedarf angepasst werden k¨onnen, ideal. Solche Tunable Transponders werden im UHF Bereich seit langem eingesetzt; heute sind sie auch im Ku-Band im Gebrauch. Wichtig ist, dass sie so konstruiert sind, dass sie im Falle eines Ausfalls den Transponder nicht unbrauchbar machen, sondern auf einer nominellen, festen Bandbreite belassen. Weiterhin ist wichtig, dass sie mit variablen Sendeleistungen ausgestattet sind (siehe oben), so dass dem Transponder erh¨ohter Bandbreite zu Lasten dessen, dessen Bandbreite verringert wird, auch erh¨ohte Leistung zugeteilt wird.

 8.11 Kanalangepasste Ubertragung ¨ Die Ubertragungsstrecke von der Quelle zur Senke f u¨ hrt durch mehrere Engp¨asse, von denen die wetterabh¨angige Funkstrecke nur eine ist. Wenn die Senke nicht bei der Antenne ist, sondern u¨ ber ein lokales Netz angebunden ist oder gar durch ein terrestrisches Netz f u¨ hrt, m¨ussen weitere potentielle Schwachstellen durchlaufen werden. Das Ziel ist die Garantie der geforderten Qualit¨at auf der Gesamtstrecke, deren Zustand durch die Messung der Bitfehlerrate am Ausgang der Strecke (im Kanaldecoder; Channel Encoding/Decoder) in Echtzeit erfolgt. Die Erh¨ohung der Sendeleistung hilft nur gegen Ausbreitungsd¨ampfung, nicht ¨ z.B. gegen Uberladung eines Netzknotens etc. Durch einfache Netz¨uberwachung k¨onnen nicht durch Regen und Schnee verursachte Degradationen erkannt wer¨ den. Hier hilft dann nur die Reduktion der Ubertragungsrate. Die variable Bitrate ¨ (Variable Bit Rate;VBR) f u¨ r die kanalangepasste Ubertragung ist Stand der Technik. So wie die aktuelle Bitfehlerrate die Sendeleistung steuert, wenn ein Ausbreitungsproblem auf der Aufw¨artsstrecke oder Abw¨artstrecke oder schlimmstenfalls auf beiden erkannt wird, regelt sie die laufende Bitrate, wenn das Problem nicht in der Ausbreitung liegt oder das Ausbreitungsproblem nicht durch weitere Leistungssteigerung behoben werden kann. Der Nutzer nimmt die etwas l¨angere ¨ Ubertragungszeit in Kauf, wenn er daf u¨ r fehlerfreie Daten erh¨alt.

8.12 Respondierende Netztopologie Alternative Pfade in einem Netz und konkurrierende Netze, die sich anbieten, werden mit den entsprechenden Kommunikationsprotokollen optimiert. Sowohl die

8.12 Respondierende Netztopologie

287

Optimierung des Routings in paketvermittelten Netzen als auch die Strategie, in einer End-zu-End-Verbindung, in der bereits ein Satellite-Hop durchlaufen wurde, nicht ein zweites Mal u¨ ber Satellit zu gehen (INMARSAT), wurden vor dreissig Jahren operationell eingef u¨ hrt. Protokolle im Mobilfunk, die eine gew¨unschte Verbindung f u¨ r ein Hybrid-Handy auf den Satelliten nur dann legen, wenn kein terrestrischer Kanal frei ist, oder umgekehrt, oder terrestrisch ein Netz bevorzugt anw¨ahlen, gibt es seit zehn Jahren. Eine Anwendung dieser Art ist die Handhabung von extremen Niederschl¨agen, die – insbesondere in der H¨ochstfrequenz und bei optischen Links – nicht mehr durch Leistungserh¨ohung kompensiert werden k¨onnen (Signalschwund > 30 dB). Diese Niederschl¨age kommen von schwer beladenen Wolken, die einen begrenzten Durchmesser haben (typischerweise < 10 km) und mit einer Geschwindigkeit meist geradeaus fliegen. Unter der Wolke ist der Empfang unterbrochen.Also routet man der Verkehr, wenn die Wolke aus dem Westen kommt, an eine am o¨ stlichen Stadtrand gelegene, diversit¨are kooperierende Bodenstation, bevor die Wolke ankommt und bis kurz bevor sie den Osten erreicht (die Stationen sind heute hinreichend breitbandig terrestrisch vernetzt). Wenn das Westend wieder betriebsf¨ahig ist, kann es den eigenen Verkehr zur¨ucknehmen und Verkehr der o¨ stlichen Station u¨ bernehmen, bis auch auf diese wieder die Sonne scheint. 8.12.1 Netzarchitekturen Entsprechend den Anforderungen an das Netz wird die optimale Topologie ausgew¨ahlt, im Wesentlichen aus den drei folgenden M¨oglichkeiten: – das Sternnetz, – das Maschennetz, – das Hybridnetz. 8.12.1.1 Der Stern Bei der Sternarchitektur l¨auft alle Kommunikation u¨ ber die zentrale Nabe (Hub), in der auch die Netzkontrolle sitzt (s.Abb. 8.2). Diese Architektur eignet sich besonders f u¨ r zentralistisch organisierte Betreiber (Banken, Versicherungen, Lotterien, Kfz-Hersteller etc.). Die Hub-Station kann direkt auf dem Gel¨ande (an der Nachrichtenquelle) stehen, oder auch entfernt (z.B. auf dem Gel¨ande des Betreibers), u¨ ber eine terrestrische Anbindung angeschlossen. Receive Only VSATs werden verwendet, wenn Daten nur von der Zentrale (Hub) an die Aussenstellen u¨ bermittelt werden m¨ussen; dieseVSATs sind nur f u¨ r den Empfang ausger¨ustet. Dabei kann eine Verbindung von der (nicht sendef¨ahigen) VSAT zur Hub Station z.B. u¨ ber das Telefonnetz oder IP erfolgen, f u¨ r das Network House ¨ Keeping oder um Nachrichten abzusetzen. Da die Ubertragungsstrecke VSAT-zu¨ VSAT im Sternnetz doppelt so lang (Double Hop) wie die direkte Ubertragung via Satellit ist, eignet sie sich nicht f u¨ r Sprache; die Signallaufzeit von ca. 0,5 s w¨are st¨orend und f u¨ hrte zu Sprechkollisionen (Double Talk).

288

8 Moderne Satellitenkommunikation

Abb. 8.2a Das Stern-Netz

Abb. 8.2b Die Stern-Topologie

VSAT f u¨ r den Verbund von Personal Computer, sog. Personal Earth Stations (PES) sind wohl die am meisten verbreiteten. Sie arbeiten in Sternnetzen mit der Hub, die auch zur Balancierung der Streckenbilanz beitr¨agt: Die grosse Hub-Antenne macht die kleinen VSAT-Antennen (Remotes) m¨oglich Der Antennendurchmesser der PES-VSAT ist ≤ 1,8 m, die der Hub vier bis sechs Meter. H¨aufig ist das Outbound-Link (zu den Remotes) in TDM mit 512 kbit/s bis 2 Mb/s ausgelegt, das Inbound-Link (zur Hub) in TDMA 128 kbit/s. Zus¨atzliche Inbounds wie auch weitere Outbounds k¨onnen dem VSAT auf Bedarf zugeschaltet werden. Die Daten¨ubertragung VSAT-zu-VSAT (also Double Hop) hat neben der Signallaufzeit das Problem der doppelten Satellitenkosten (weil zweimal u¨ ber Satellit), so dass den niedrigeren Beschaffungskosten h¨ohere Betriebskosten f u¨ r die Dauer der Mission gegen¨uberstehen. Die Beschaffungskosten eines Sternnetzes umfassen:

8.12 Respondierende Netztopologie

289

Abb. 8.3 Prinzipieller Aufbau der VSAT

(1) Die Kosten der Hub-Antenne inkl. Nachf u¨ hrung, HPA, LNA, Up- und DownConverter, Modems, Codecs, Network Control Processor (DAMA) Hard- und Software, Grundst¨uck und Geb¨aude: (2) die Kosten der Errichtung der Hub-Station mit Pedestal und Interfacility Links, (3) die Beschaffung der VSATs, (4) die Grundst¨ucke f u¨ r und das Aufstellen der VSAT, einschl. Blitzschutz (5) die Installation, Anbindung und Inbetriebnahme der VSAT (Commissioning), (6) die Betriebskosten des Systems incl. Network Control und Users’ Help Desk (24 Std. pro Tag f u¨ r Probleme der Teilnehmer besetzt) und die laufenden (7) Satellitennutzungskosten. Der prinzipielle Aufbau einer VSAT ist in Abb. 8.3 gezeigt, der prinzipielle Aufbau der Hub Station ist a¨ hnlich dem der VSAT – anstatt der PCs als Datenendeinheiten sind hier die Knotenrechner (Vermittlungszentren) der angeschlossenen Netze angebunden. Die Network Control Die Aufgaben und Eigenschaften der Netzsteuerung (Network Control) sind: die Nutzer im Netz zu registrieren und zu verwalten (Network Administration), die System Performance einschl. aller Remotes im Netz zu u¨ berwachen, den lastabh¨angigen und auch reservierten Zugriff auf das System zu betreiben, ¨ die Warteschlangen, wenn notwendig, und zeitlich versetzte Ubertragungen zu verwalten, – Accounting, Billling, Customer care (ABC), einschl. einem rund um die Uhr besetzten Users’ Help Desk, – Gateways zu Fest- und Mobilnetzen einschl. Standardkonvertierung (Transcoding der Sprechverbindungen), Bitratentranslation und Protokollumsetzung etc. zu betreiben. – – – –

So erlaubt die in der Hub installierte Network Control die gezielte Adressierung der VSAT durch einen dem Nutzdatenstrom vorangestellten Header. In ihm sind neben

290

8 Moderne Satellitenkommunikation

Abb. 8.4 Das Prinzip des Datenverteildienstes

dem Adressfeld noch Parameter, wie z.B. Empfangsfrequenzumschaltung, Schnitt¨ ¨ stellenkonfiguration, Uberwachung der Ubertragungsqualit¨ at etc. Die Intelligenz in der Hub ist so ausgelegt, dass ihre Funktion u¨ berwacht, Alarme angezeigt und Redundanzen zugeschaltet werden k¨onnen. Die Schnittstelle zum Anwender muss standardisiert sein, so dass g¨angige Datenendeinrichtungen angeschlossen werden k¨onnen. Es lassen sich geschlossene Nutzergruppen (Closed User Groups; CUG; s. Abb. 8.4) bilden; das Broadcast an alle wird zum Multicast an die Mitglieder der CUG. Merkmale eines Satellitenverteildienstes Die wesentlichen Merkmale eines satellitengest¨utzten Datenverteildienstes, der kundengerecht angeboten werden kann, sind in Tabelle 8.4 gezeigt. Tabelle 8.4 Merkmale eines satellitengest¨utzten Datenverteildienstes Empfangsstation; Anbindung der Hub und Betrieb; Satellitenbandbreite und Zeit ¨ Ubertragungsqualit¨ at von Transaktion zu Transaktion verschieden,gem¨ass Kundenwunsch, Variable Bit Error Rate (VBER) Datenschutz Verschl¨usselung Dienstverf¨ugbarkeit von 98,5% bis 99,9% der Zeit (Klimatone K), gem¨ass Kundenwunsch Kosten

Die Kosten m¨ussen so liegen, dass sie neben dem Vorteil der Flexibilit¨at des Satellitenfunks (Anbindung ohne verlegtes Kabel) die Kosten des terrestrischen Anschlusses unterbieten. Der Kostenbereich f u¨ r eine komplette Empfangsstation liegt

8.12 Respondierende Netztopologie

291

je nach Ausstattung (Software, Datensicherheit etc.) im Bereich von 2 bis 20 k€. Die Betriebskosten f u¨ r Hub und Satellit werden mit Betreiber und Satellitenorganisation (wie Eutelsat und Intelsat) verhandelt. ¨ Die Ubertragung wird so dimensioniert, dass der Anwender die gew¨unschte Qualit¨at bekommt; BER von z.B. 10−7 f u¨ r 99,9% der Zeit bedeutet, dass bei einer Bitrate von 2 Mbit/s alle 5 Sekunden ein Bit falsch sein darf.Wenn eine DINA4-Seite ¨ mit 100 kbit codiert wird, darf bei der Ubertragung von 100 DINA4-Seiten ein Bit falsch sein – das leicht mit Forward Error Correction (FEC) korrigiert werden kann. Die Datensicherheit muss gew¨ahrleisten, dass die u¨ bertragene Information von keinem Unbefugten empfangen werden kann. Dies wird durch Chiffrierung in Hub ¨ und VSAT realisiert – nicht u¨ ber das Ubertragungsverfahren. ¨ Verf u¨ gbarkeit des Dienstes von 99,9% bedeutet,dass das gesamte Ubertragungssystem, – die Nachrichtenquelle beim Hub – terrestrische Anbindung der Hub – die Hub – der Satellit – die VSAT und – die Nachrichtensenke (z.B. PC beim Nutzer) ¨ in 365 Tagen nur 8,76 h ausfallen darf. Die Verfu¨ gbarkeit, die Ubertragungsqualit¨ at und die Datensicherheit gehen wesentlich in die Kosten des Datenverteildienstes ein. Die Schnittstellen des Datenverteildienstes zum Kunden m¨ussen so ausgelegt sein, dass schon bestehende Terminals, Drucker etc. angeschlossen werden k¨onnen und jeder Dienst u¨ bertragen werden kann. In Tabelle 8.5 sind Beispiele von Satellitendatenverteildiensten aufgezeigt.

Tabelle 8.5 Denkbare Nutzergruppen des satellitengest¨utzten Datenverteildienstes Hub

VSAT

Hub

VSAT

Grossfirmen

Werke

B¨orsen

Broker

Baufirmen

Grossbaustellen

Presseagenturen

Zeitungsverlage

Reiseveranstalter

Reiseb¨uros

Autoverleihfirmen

Aussenstellen

Speditionsunternehmen

Frachtverteilb¨uros

etc.

Filialen

Die Empfangsstation Die Empfangsstation (VSAT) ist in Aussen- und Inneneinheit unterteilt. Die Ausseneinheit besteht aus der Antenne, die im Boden verankert oder am Geb¨aude befestigt sein kann. Der rauscharme Vorverst¨arker (LNA) befindet sich im Brennpunkt der Antenne, um Verluste zu minimieren. Dem LNA nachgeschaltet ist der Frequenzumsetzer 1 (DC 1), der das Sendefrequenzband des Satelliten (z.B. 10,95– 11,70 GHz) auf eine Zwischenfrequenz (z.B. 0,95–1,70 GHz) umsetzt. Dieses Signal wird mit HF-Kabel u¨ ber 100–300 m zur Inneneinheit u¨ bertragen.

292

8 Moderne Satellitenkommunikation

Die Inneneinheit befindet sich z.B. im Geb¨aude; von ihr wird die Ausseneinheit via HF-Kabel (Innenleiter) mit elektrischer Leistung (z.B. 15 V DC) versorgt, so dass keine 220 V zur Antenne transportiert werden m¨ussen. Das (noch modulierte) Empfangssignal wird im Frequenzumsetzer 2 (DC 2) auf eine Zwischenfrequenz (z.B. 70 MHz) gebracht und dem Demodulator zugef u¨ hrt. Dessen Ausgang (die Basisbandsignale) wird via Demultiplexer (DEMUX) an die einzelnen (Standard-)Schnittstellen gelegt. Hier schliesst der Anwender seine Terminals an. Der Prozessor in der Empfangsstation hat folgende Aufgaben: – – – –

Einschalt-Funktion (ON/OFF) und Handling der Empfangsstation in Bitrate Auswerten des Headers Demultiplexen, d.h. verteilen der Basisbanddaten Fehlerkontrolle/Fehlerkorrektur

Shared Hub Es ist technisch und betriebstechnisch m¨oglich, dass sich mehrere Netzbetreiber die grosse Zentralstation und gegebenenfalls den Netzkontrollrechner teilen, anstatt dass jeder seine eigene Hub beschafft und betreibt. Damit lassen sich die Investitions- und Betriebskosten pro Netzbetreiber betr¨achtlich reduzieren. Mit Fire Walls im Netzkontrollrechner bleiben die Einzelnetze separiert. Shared VSAT In gleicher Weise wie mehrere Netzbetreiber sich die grosse Zentralstation teilen, kann auch ein einzelnes VSAT von mehreren Teilnehmern an diesem Ort mitbenutzt werden. Mit einem zus¨atzlichen Modem f u¨ r einen weiteren, unabh¨angigen Anschluss ist ein zus¨atzlicher Teilnehmer kosteng¨unstiger am Netz als mit einem ¨ zus¨atzlichen VSAT. Gleichzeitig ist das Problem der Asthetik reduziert, wenn nicht gleich mehrere (grellweisse) Parabolsch¨usseln auf dem Dach montiert sind. Dies gilt f u¨ r VSATs in Sternnetzen und umso mehr f u¨ r die etwas gr¨osseren Terminals in vermaschten Netzen. 8.12.1.2 Vermaschte Architekturen Die Alternative zum Stern ist das vollvermaschte Netz (Mesh Topologie), in dem jede VSAT mit jeder anderen direkt (nicht u¨ ber die Hub) verbunden ist (s. Abb. 8.5); die Network Control ist in einer beliebigen VSAT angesetzt und kann jederzeit an eine andere verlagert werden. Auch hier u¨ berwacht die Network Control den Verkehr im Netz und nimmt die Kanalzuweisungen f u¨ r die VSAT vor. Da es im Netz keine Hub gibt, die mit ihrem gr¨osseren Durchmesser die u¨ bertragungstechnischen Anforderungen an die VSAT mindert, sind die Mesh VSAT gr¨osser (z.B. 2,4 m statt 1,8 m). Die h¨oheren Kosten m¨ussen jedoch im Gesamtrahmen der Satellitenkommunikation gesehen werden,in dem durch die immer engere Besetzung der Umlaufbahn der St¨orung von benachbarten Satelliten ohnehin nur durch gr¨ossere Erdfunkstellendurchmesser begegnet werden kann.

8.12 Respondierende Netztopologie

293

Abb. 8.5 Vollvermaschtes Netz mit n Knoten (Nodes) und n − 1 Verbindungen (Links)

Da alle VSAT direkt miteinander verbunden sind, sind Mesh Topologies geeignet, auch Sprache zu u¨ bertragen. Die Dienste Die SAT-Dienste k¨onnen unterteilt werden in vermittelte und reservierte Transak¨ tionen und Ubertragungen auf Mietleitungsbasis: – Vermittelte Transaktionen (Switched Services) Dial Data Services, Batch Data Transfer, Fax, Image, E-Mail incl. Voice Mail, Broadcast and Multicast Voice – Reservierte Transaktionen (Reservation) Data Transmission, Broadcast and Multicast, Video Conference – Transaktionen auf Mietleitungsbasis (Leased Line Services) Simplex, Duplex. Das Spektrum von SAT-Anwendungen beinhaltet Finanztransaktionen und Point of Sale-Transactions, Zentrale/Filialen-Kommunikation, Ruraler Telefonverkehr, Kreditkartenverifizierung, Electronic Data Interchange (EDI),Vertriebs- und Konzernnetze,Videokonferenzen, Distribution von Reklame, Reservierungen (Hotel, Fl¨uge, Last Minutes, Mietwagen, Ger¨ate etc.), elektronische Post, Echtzeit Inventarisierung,Verteilung von Unterhaltungsmusik f u¨ r Einkaufsl¨aden,Online Lottoannahme u.v.a.m. Sprachnetze mit Kleinsterdfunkstellen F¨ur Sprachverkehr ist die Telephony Earth Station (TES) geeignet, die in einem Maschennetz arbeitet, das auch datenf¨ahig ist. Der VSAT-Antennendurchmesser ist

294

8 Moderne Satellitenkommunikation

z.B. 2,4 m; es gibt keine Hub; die Network Control ist mit einem beliebigen VSAT koloziert. Aller Verkehr geht Single Hop VSAT-direkt-zu-VSAT. Alle Links sind Single Channel Per Carrier (SCPC) in FDMA oder TDMA mit 64 kbit/s bis 8 Mb/s.Transcoders wandeln Sprache von einer Bitrate in die andere.Auch im Datenverkehr sind niedrigere Bitraten (unter 64 kbit/s) m¨oglich. Da TES-artige VSAT in der Vergangenheit in kleineren St¨uckzahlen als die PES verkauft wurden, ist ihr Preis immer noch h¨oher als der der PES-artigen Stationen. Rechnernetze mit Kleinsterdfunkstellen ¨ Der Cadilac der VSAT ist eine vollvermaschte Architektur mit Ubertragungsraten von 2 bis 8 Mbit/s,die sowohl Daten als auch Telefonverkehr unterst¨utzen: DasVSAT f u¨ r Advanced Business Communications via Satellite, das die verkehrsabh¨angige Vernetzung von Local Area Networks (LAN) auch unterschiedlicher Standards und Protokolle mit dynamisch-lastangepasster Kapazit¨atszuteilung unterst¨utzt.Die Antennendurchmesser im Ku-Band reichen von 1,8 m an aufw¨arts. Die 2 bis 8 Mb/s Tr¨ager sind QPSK, zunehmend 16QAM moduliert und TDMA gesteuert, mit einem versatilen DAMA-Algorithmus, der die Nutzung der Satellitenkapazit¨at optimiert. Diese Netzkontrolle ist in einem beliebigen VSAT untergebracht. Dieses System unterst¨uzt auch grosse Netze oder viele LAN und gr¨ossere Wide Area Networks (WAN). Wenn man f u¨ r Bitraten >128 kbit/s plant,ist es ratsam,zu Beginn Advanced Business Communications zu nehmen, anstatt in ein billigeres Netz zu investieren und dieses dann sp¨ater abzul¨osen; das leistungsf¨ahigere Netz kann sofort ein schmalbandiges emulieren, aber nicht umgekehrt. Satelliten-EIRP Die Bodenstation empf¨angt mehr Pegel von dem Satelliten, dessen Bedeckungsgebiet kleiner ist, als von einem Satelliten (gleicher Sendeleistung) mit gr¨osserer Ausleuchung. Die Relevanz des EIRP-Wertes auf die Verwendung des jeweiligen Satelliten fu¨ r den Datenverteildienst ist evident. ¨ Die Tabelle 8.3 zeigt die Ubertragungsparameter f u¨ r 34 Mb/s, kleinste Empfangsantennen,eine Bitfehlerrate BER von 10−5 ,bei Verwendung von 16QAM.Damit ergibt sich am Demodulatoreingang ein Soll-Tr¨ager/Rauschleistungs-Verh¨altnis C-N o,Soll = Eb − No + 10 log(Bitrate) − Codiergewinn + Implementierungsmarge = 13,5 dB + 75,3 dB/s − 4 dB + 2 dB = = 86,8 dBHz Dem steht das verf u¨ gbare Ist-Tr¨ager/Tauschleistungs-Verh¨altnis gegen¨uber C-N o = EIRP − BOout − BOAnteil − PL + G-T − K = 55 dBW − 3,8 dB − 5,2 dB − 206 dB + 24 dBi/K + 228,6 dBJ/K = = 92,6 dBHz

8.12 Respondierende Netztopologie

295

¨ Tabelle 8.6 Ubertragungsparameter des Systems Hub Station/Satellit/VSATC- und Ku-Band Uplink- und Downlink-Frequenz (GHz) Funkfelddispersion (dB) Atmosph¨arische- und Regend¨ampfung11 (dB) EIRPHubStation/Satellit (dBW) Input Backoff/Output Backoff (dB) G-T Satellit/G-T HUB (dBi/K) GVSAT (dBi) 1,8 m ∅, 60% GHub (dBi) 4,0 m ∅, 60% TVSAT (dBK) G-T VSAT (dBi/K) G-T Hub (dBi/K) C-N o (notwendig, in dBHz) C-N o (verf¨ugbar, in dBHz) Systemreserve (dB)

14 206,0 3,0 72,0 8,3 14,0 46,0 52,0

105,0

11 204,0 2,0 55,0 3,8 24,0 44,0 50,0 20,0 24,0 31,0 86,8 92,6 3,0

gesamt

89,812

Die Tabelle zeigt die Systemreserve f u¨ r einen Stand-der-Technik Satelliten. Diese kann verwendet werden, um – – – – – –

die D¨ampfung bei Regen und Schneefall auszugleichen, die elektrische Sendeleistung der Hub zu verringern, den Antennendurchmesser der Hub zu verkleinern, den Antennendurchmesser der VSAT zu verkleinern oder billigere Empf¨anger h¨oherer Rauschtemperatur im VSAT zu verwenden eine bessere Qualit¨at anzubieten (kleinere Bitfehlerrate BER).

In der Praxis w¨ahlt man eine geschickte Kombination dieser Massnahmen. Wie aus der Tabelle weiterhin ersichtlich, eignen sich herk¨ommliche Nachrichtensatelliten fu¨ r Datenverteildienste auch mit kleinen Empfangsanlagen. Es sind keine aufwendigen Installationen f u¨ r die Antennen notwendig. 8.12.1.3 Hybride Architekturen Hybride Netze beinhalten eine zentrale Station, in der auch die Netzkontrolle untergebracht ist. Eine Untermenge aller VSAT haben Direktverbindungen untereinander (Vermaschung); der Rest h¨angt sternf o¨ rmig am Hub (s. Abb. 8.6). Es kommen in dieser Hybridform Single Hop- und Double Hop-Verbindungen vor; die Vorteile beider Systeme (und ihre Kosten) sind in einem Netz vereint. Es kann z.B. Sprache im Single Hop und Daten im Double Hop u¨ bertragen werden; die endg¨ultige Auswahl der Netzarchitektur richtet sich nach den Anforderungen des Verkehrsprofils. 11 12

99% der Zeit in Klimazone K oder besser = C-N abw abz¨uglich C-N aufw (0,3 dB), C-N intermod (1,5 dB) und C-N interf (1,0 dB)

296

8 Moderne Satellitenkommunikation

Abb. 8.6 Die hybride VSAT-Netzarchitektur

8.12.1.4 Vergleich der Architekturen Die zentrale Hub der Sternnetze wird verwendet, um die Anforderungen an die Sende- und Empfangsleistungen der VSAT zu minimieren. Mit ihrem gr¨osseren Antennendurchmesser (4 bis 6 m) und Sendeverst¨arker h¨oherer Leistung (ca. 100 W), kann sie die niedrigeren Leistungsdaten der VSAT ausgleichen. Diese Lockerung der Anforderungen an die VSAT betr¨agt aber maximal 3 dB: Wenn in einem symmetrischen Link (Maschennetz) C-N up = C-N down = 20 dB, dann ist C-N total = 17 dB; wenn in einem asymmetrischen Link (Sternnetz) die Verbindung zur Hub ein sehr gutes C-N aufweist, darf die Verbindung zur VSAT C-N down = C-N total = 17 dB sein, also 3 dB niedriger – nicht mehr! Der Antennengewinn kann um 3 dB niedriger, also der Antennendurchmesser um 1,5 dB oder den √ Faktor 2 = 1,4 kleiner sein; statt 2,4 m reichen 1,8 m. Die kleinere Antenne setzt sich aber sehr viel mehr der Funkst¨orung durch benachbarte Satelliten aus, so dass der Nutzer gut beraten ist, dennoch 2,4 m zu nehmen. Der gr¨ossere Durchmesser reduziert auch die Anforderungen an die Sendeleistung der VSAT, ein wesentlicher Kostentreiber (8 W Sender kosten dreimal so viel wie 4 W Sender). F¨ur den etwas gr¨osseren Antennendurchmesser sprechen die Systemaspekte: – – – – –

die kleinere Funkst¨orung von den benachbarten Satelliten, die kleinere Funkst¨orung in die benachbarten Satelliten, der kosteng¨unstigere Sendeverst¨arker, das kosteng¨unstigere Empfangssystem, die halb so hohen Kosten f u¨ r das Raumsegment bei VSAT-zu-VSAT-Links.

Mesh-VSAT arbeiten mit 2,4 m, Stern-VSAT k¨onnten mit 1,8 m Antennen arbeiten, wenn nicht die In Orbit Interference auch die Stern-VSAT zunehmend zwingen w¨urde, auf 2,4 m zu gehen. Im Einzelfall w¨ahlt man die f u¨ r die Anwendung am besten geeignete Topologie aus. Wenn man auch PC vernetzen oder Local Area Networks verbinden m¨ochte, ist die Wahl einfach: Das kann nur die Advanced Business Communications-Klasse (Tabellen 8.7 und 8.8). Wenn mehr als 64 kbit/s u¨ bermittelt werden sollen, ist auch dies nur mit Advanced Business Communications m¨oglich (bis zu 8 Mbit/s und mehr).Wenn es nur um Telephonie geht, aber jede Station mit jeder anderen Station sprechen k¨onnen soll, dann reicht die etwas billigere TES-Klasse. Wenn alle VSAT nur Verbindung mit der zentralen Hub ben¨otigen und nicht untereinander kommunizieren, kann man auch die noch billigere PES verwenden.

8.12 Respondierende Netztopologie

297

Mann muss die Rechnung aber sorgf¨altig machen: Zu den Kosten der PES kommen die f u¨ r die Hub Station (je nach Auslegung zwischen 300 und 500 k€). Wenn doch VSAT-zu-VSAT Verkehr ist, muss dieser – der u¨ ber die zentrale Hub l¨auft – zweimal u¨ ber den Satelliten (vom VSAT via Satellit zur Hub Station und dann noch mal via Satellit zum anderen VSAT), und damit werden die Satellitenkosten verdoppelt, so dass oft die PES teurer wird, als die TES. Wenn der Kunde heute zwar keine Local Area Networks hat, sie aber in ein, zwei Jahren haben wird, ist es ebenfalls falsch, die billige PES oder TES anzuschaffen, und sie dann gegen die Advanced Business Communications auszutauschen; es ist billiger, gleich auf das zukunftstr¨achtige System zu gehen. Wenn der Kunde mit seiner Zentrale 17 000 Tankstellen europaweit erreichen k¨onnen m¨ochte und die Remotes nicht untereinander sprechen m¨ussen, ist der Stern die L¨osung. Tabelle 8.7 Zusammenfassung PES, TES und Advanced Business Communications Typ PES TES „Cadilac“

Topologie Sternnetz Maschennetz Maschennetz

Hub Ja Nein Nein

Zugriffstechnik TDMA/TDM SCPC/FDMA Fast Packet Switch

Datenrate ≈ 16 kbit/s 64 kbit/s ≥ 8 Mbit/s

Kosten 10 k€ plus Hub 15 k€ plus DAMA 25 k€ plus DAMA

¨ Tabelle 8.8 Ubersicht u¨ ber alternative Netze Netztyp Satellit

Anwendungen profess. und private Anw. Mietleitung Daten und Sprache Fiber-Optik Daten, Sprache und Video

Bitraten 300 bit/s bis 8 Mbit/s 128 kbit/s Gbit/s . . . Tbit/s

Kosten 8 . . . 30 k€ 0,1 . . . 1 k€/ Monat/Tln 1 000 k€/ Monat und Verbindung

Vorteile Flexibel, zuverl¨assig Global verf¨ugbar BandbreitenArbitrage m¨oglich

Nachteile keine Gbit/s starres Netz nicht geeignet f¨ur kleine Netze

Fallbeispiel: F¨ur wie viele VSAT wird Star billiger als Mesh? Die Kosten f u¨ r ein Sternnetz mit n VSAT und einer Hub seien Kostenstar = n · 10 k€ pro VSAT + n · 10 k€ f u¨ r Installation pro VSAT + 350 k€ f u¨ r Hub incl. Installation + 150 k€ f u¨ r Network Control = n · 20 k€ + 500 k€ Die Kosten f u¨ r ein Maschennetz mit n + 1 VSAT ohne Hub sind Kostenmesh = n · 20 k€ pro VSAT + n · 12 k€ f u¨ r Installation pro VSAT Kostenstar

+150 k€ Network Control = n · 32 k€ + 150 k€ = Kostenmesh bzw. n · 20 + 500 = n · 32 + 150 → n ≥= 29 VSAT.

298

8 Moderne Satellitenkommunikation

FAZIT: F¨ur n > 29 VSAT wird das Sternnetz (trotz Hub) in der Beschaffung (ohne Betriebskosten!) billiger als das Maschennetz. Bei vermaschtem Verkehr ist dessen Ausmass massgebend.Er f u¨ hrt in Sternnetzen zu doppelter Satellitenkapazit¨at und intolerabler Zeitverz¨ogerung. Angenommen, auch nur 1/3 des Verkehrs in einem Netz geht VSAT-zu-VSAT, dann betr¨agt die Satellitenrechnung 133% durch die Double Hops.Wenn die Rechnung z.B. 25 k€ pro Monat oder 0,3 M€ p.a. betr¨agt, bedeutet dies Mehrkosten in 10 Jahren von 3 M€. Damit wird der Trade Off: Kostenmesh = n ∗ 32 k€ + 150 k€ und Kostenstar = n ∗ 20 + 500 + 3000 k€, also n ∗ 32 + 150 = n ∗ 20 + 3500 k€, somit ist n ≥ 270 VSAT. FAZIT: Erst ab ca. 300 VSAT rechnet sich die Sternarchitektur vis a` vis dem Maschennetz, wenn u¨ ber eine Missionsdauer von 10 Jahren gerechnet wird. 8.12.1.5 Zusammenfassung ¨ Die Satelliten¨ubermittlung ist komplement¨ar zur terrestrischen Ubertragung, ein integraler Teil der Global Information Infrastructure (GII), die sicherstellt, dass GII schnell fl¨achendeckend verf u¨ gbar wird. Besondere Kostenvorteile bieten SatellitenNetze bei Broadcast: Mit nur einem Satellitenkanal kann Information (Nachrichten, B¨orsen- und W¨ahrungskurse, Last Minute Angebote etc.) an beliebig viele Orte u¨ bermittelt werden. Multicast ist Broadcast eingeschr¨ankt auf die, die f u¨ r den Dienst bezahlen. Ein Beispiel sind Weiterbildungskurse – ein VSAT-Dienst mit zunehmender Anwendung, nicht nur in der Dritten Welt. Satellitenmietleitungen k¨onnen sowohl f u¨ r Paketvermittlung als auch f u¨ r Festverbindungen auf der Basis von Single Channel Per Carrier (SCPS) verwendet wer¨ den. SCPC-Ubertragungsraten reichen u¨ ber 2 Mbit/s bis 34 Mbit/s. Die Effizienz der Bandbreitennutzung h¨angt von der Qualit¨at des DAMA ab.

8.13 Zeitgemasses Protocol Engineering SITs arbeiten heute mit Internet, TCP-IP, X.2513, PAD14, Frame Relay, Routers/ Brouters /Bridges, ATM15, SLIP16 , SNA17 etc., einer Vielzahl von Protokollen f u¨ r Sprache und Breitbanddaten einschl. LAN (Local Area Networks) Verfahren. Im Unterschied zur Terrestrik kann innerhalb der Satellitenausleuchtzone jeder Teilnehmer senden und empfangen, ohne an die geographische Abdeckung 13

einem Paketvermittlungsprotokoll der Ebene xyz Packet Asembly / Disassembly, ein Protokoll zur Link-Kontrolle 15 Asynchroneous Transfer Mode, eine Paketvermittlung 16 Serial Line IP 17 System Network Architecture 14

8.14 Stand der Technologie

299

und an starre Bitraten eines Kabelnetzes gebunden zu sein. Besonders in der Gesch¨aftskommunikation a¨ ndern sich die Anforderungen der Nutzer stetig. Ist man heute mit Bitraten von n 2 Mbit/s zufrieden, sind morgen m 34 Mbit/s gefragt. ¨ F¨ur die Ubertragung via Satellit mit kleinsten Antennendurchmessern sieht man – den Datenverteildienst (Broadcasting): Daten an alle (Point to Multipoint), – einen Datendienst (Multicasting): Ich sende Daten an viele (Point to Multipoint), – den interaktiven Datenverkehr: Die Nutzer senden und empfangen. Dies kann in Netzen mit Sterntopologie wie auch in vermaschten Netzen erfolgen.

8.14 Stand der Technologie 8.14.1 DVB-RCS und DOCSIS Protokolle DVB-RCS (Digital Video Broadcast Return Channel via Satellite) and DOCSIS (Data Over Cable Service Interface Specification) sind die zwei g¨angigen Standards fu¨ r breitbandigen Internet-Zugriff. Beide versprechen Low-Cost Terminals, niedrige ¨ Ubertragungskosten, Interoperabilit¨at und Market Scalability. DVB-RCS ist ein von vielen Satellitenbetreibern und Ger¨atevertreibern unterst¨utztes Satelliten-Air Interface Protocol. DOCSIS ist ein um einige Satelliteneigenschaften modifizierter Kabelstandard. Beide stimulieren den Wettbewerb und helfen, die Preise zu senken sowie den Betrieb von Gateways und interaktiven Terminals verschiedener Hersteller. DVB-RCS hat zur Entwicklung von Application Specific Integrated Circuits (ASIC) in Silikon gef u¨ hrt, mit der physikalischen Protokollebene und den Media Access Control (MAC) Funktionen (dem Air Interface Protocol), also einem kompletten Terminal auf einem multifunktionellen Chip, – – – –

mit kleinster Gr¨osse h¨ochster Zuverl¨assigkeit geringstem Leistungsverbrauch niedrigsten Bodenterminalgesamtkosten.

Ein Ziel bei der Entwicklung des DVB-RCS Standards war die Interoperabilit¨at aller DVB-RCS zertifizierten Produkte und Dienste; noch sind einzelne Produkte nicht mit der DVB-RCS Multiple Frequency TDMA (MF-TDMA) Zugriffstechnologie kompatibel. DOCSIS, der alternative Standard f u¨ r breitbandigen Internet-Zugang via Satellit, ist in Kabelnetzen bereits weit verbreitet. Die kosteng¨unstigen Chipsets mit Embedded Network and Subscriber Management Functions bieten Vorteile f u¨ r Satellitenbetreiber wie Diensteanbieter. Bodenterminals k¨onnen auf weit reichende kommerzielle Off-the-Shelf Technik zugreifen, so dass der DOCSIS Standard mit seinen niedrig-Kosten-Customer Premise Equipment (CPE) im Verh¨altnis zu den inzwischen klassischen VSATs deutliche Vorteile bringt. Mittelfristig werden diese niedrigen Kosten auch von DVB-RCS erreicht,das auch die Leistungsmerkmale von „DOCSIS via Satellite“ in Bandbreiteneffizienz und Kosten erreicht.

300

8 Moderne Satellitenkommunikation

8.14.2 Der DVB-S2 Standard DVB-S,DVB-DSNG und DVB-RCS Hersteller werden durch die j¨ungste Ausgabe des DVB-S2 Empf¨anger-Chipsets deutlich unterst¨utzt. Empf¨angerchips f u¨ r interaktives DVB-S2 (ATM f¨ahig) werden in kleinen St¨uckzahlen 50 Euro kosten und weniger als 15 Euro in grossen (s.Abb. 8.7). Obwohl sie damit zwei bis drei Mal so teuer sind wie die f u¨ r Broadcast, sind sie f u¨ r interaktive Anwendungen attraktiv, auch weil sie in der Systemkapazit¨at aufwuchsf¨ahig sind. 35 35 Chip30 30 Preis 25 in Euro 25 Reihe1

20 20

Reihe2 DVB-S2 Chip Reihe3

15 15 10 10

DVB-S Chip

55 00 10 000 1

20 000 2

50 000 3

100 4000

Stückzahl

Abb. 8.7 Die Kosten der Empf¨anger-Chips von DVB-S und DVB-S2 versus St¨uckzahl

8.14.3 Kosteneffektive Systemlosungen Gefragt sind kosteneffektive, rasch implementierbare Systeme, die einen grossen Bereich von Anwendungen abdecken und eine gewisse Lebensdauer aufweisen.

8.15 Breitbandsatellitensysteme 8.15.1 Netze mit Kleinsterdfunkstellen bei ho heren Frequenzen Ultra Small Aperture Terminals (USAT) und ‹SAT wurden lange als die n¨achste Generation SAT vorhergesagt, nicht nur f u¨ r Ka-Systeme sondern auch f u¨ r den Einsatz mit Ku-Satelliten f u¨ r Breitband¨ubertragungen. Sie wurden speziell f u¨ r tief fliegende Satelliten wie SkyBridge und Teledesic (700 km Flugh¨ohe) vorgesehen. Teledesic hat seine Pl¨ane fallen lassen und die Lizenz an die Regulierungsbeh¨orde zur¨uck gegeben, und um SkyBridge ist es auch ruhig geworden. Die Verbreitung der USAT ist immer noch sp¨arlich. Es gibt wenig Produkte und ebenso wenig Satelliten. Der Einsatz von USAT wird auf trockene Klimazonen konzentriert sein. In Hong Kong wird im Ka-Band eine gr¨ossere Antenne als im

8.15 Breitbandsatellitensysteme

301

Ku-Band erforderlich (und im Ku-Band eine gr¨ossere als im C-Band), weil man die Additional Rain Attenuation kompensieren muss. Zwei der zwanzig „Internet-in-the-Sky“-Systeme, die zur Zeit des „Neuen Marktes“ proklamiert wurden, werden wohl realisiert - die wesentliche Grundlage f u¨ r die zuk¨unftige Global Information Infrastructure (GII). Im Gegensatz zu VSAT, die im Ku-Band arbeiten, liegen USAT im Ka- und Ke-Band. Damit wird der erforderliche Antennendurchmesser theoretisch noch kleiner. Ob dies im Einzelfall zutrifft, h¨angt sehr stark von der Klimazone und der geforderten Dienstverf u¨ gbarkeit ab. 8.15.2 Das ACTS der NASA Der Advanced Communications Technology Satellite der NASA zur F¨orderung der US-Satellitenindustrie, von Lockheed Martin gebaut (363 Mio Euro) wurde 1993 (mit einer Lebensdauer von 5 Jahren) auf 100◦W/GEO gebracht. Die Satellitenkontrolle erfolgt vom NASA Master Control Center (MCS) im Lewis Research Center, Cleveland (Ohio) f u¨ r die Plattform, die Netzkontrolle von LM in East Winsor (NJ). Das ACTS beinhaltet folgende Technologien: – Erzeugung einer Zellularstruktur am Boden mit 100 Zellen in den 28 Staaten der USA, – Hopping Spot Beams hoher Leistung (high gain hopping spot beams) im Verkehr mit kleinen Terminals – SAT kleinsten Durchmessers, f u¨ r Business Communications; Terminals werden von der US Army im transportablen Einsatz betrieben; – bordseitige Vermittlung der Signale (TDMA Satellite On-Board Switching), – Basisband-Verarbeitung der Signale im Satelliten (On-Board Processing, OBP; Satellitenger¨ate von Motorola, Bodeneinrichtungen von COMSAT), – lastabh¨angige Kapazit¨atszuteilung (Demand Assignment; DAMA) ¨ – Ubertragung in der H¨ochstfrequenz; Ka-Band (20/30 GHz) mit extrem hohen Bandbreiten (ca. 1 GHz), auch zum mobilen Teilnehmer (Land, Flug und See); – adaptive Regend¨ampfungskompensierung (adaptive rain fade compensation). Einzelne Spots werden auf Zielerdfunkstellen mitVerweildauern im Millisekundenbereich gerichtet, Daten h¨ochster Bitrate abgesetzt, und die Spots in Nanosekunden zum n¨achsten Ziel geschwenkt. Damit kann die Zahl der vom Satelliten gleichzeitig erzeugten Spotbeams auf einen Bruchteil der Zahl der Zielerdfunkstellen begrenzt werden. Der pr¨aoperationelle Satellitenbetrieb beinhaltet z.B.: – T1-Verbindungen zum Nutzer (1,544 Mbit/s), einschl. ISDN-Diensten, – Hochgeschwindigkeitsdatennetze (OC-12 622 Mbit/s, zum Verbund von grossen Rechnernetzen und Verbund von Supercomputern der NASA, des National Center for Atmospheric Reserach und des Ohio Supercomputing Centers), – Programmverteilung von HDTV (High Definition TV ; 16 × 9 Bildseitenverh¨altnis), – Sprach- und Datenverbindungen zum Flugzeug mit Terminals mit Phased Array Antenna und mit Terminals, entwickelt von JPL und Rockwell, f u¨ r breitbandige ¨ Ubertragung von Sprache, Daten und Video zum Flugzeug,

302

8 Moderne Satellitenkommunikation

– Terrestrischer Mobilfunk mit niedrigen Datenraten zu Terminals im Fahrzeug (2,4 bis 64 kbit/s; vom JPL entwickelt), – USAT f u¨ r Dateneinholung (Supervisory Control and Data Acquisition; SCADA, ¨ ¨ f u¨ r Ubertragungsraten von 4,8 kbit/s im Einsatz zur Uberwachung von z.B. Hochspannungsleitungen etc.), – Ausbreitungsversuche mit Massnahmen zur adaptiven Regend¨ampfungskompensierung, durchgef u¨ hrt von der COMSAT, die seit 20 Jahren – angefangen im ATS-Programm - auf der 20/30 GHz-Ausbreitung arbeitet. Weitere im ACTS-Programm entwickelte Terminal-Ger¨ate sind z.B.: – das Strecken¨uberwachungsger¨at (Link Evaluation Terminal; LET, von NASALewis) zur Bewertung der ACTS-Transponder entwickelt, das sowohl Transponderparameter u¨ berwacht, als auch die Ausrichtung der Spotbeams, – das Hochgeschwindigkeits-Modem (High Data Rate Terminal; HDR, gef o¨ rdert von NASA und ARPA) f u¨ r 155 und 622 Mbit/s, – das Empfangsger¨at (Receive Only) f u¨ r die Ausbreitungsmessung, entwickelt vom Virginia Polytechnic Institute (acht Einheiten im Einsatz). Im ACTS-Programm wurden alle die eingangs beschriebenen zukunftstr¨achtigen Dienste mit neuen Technologien erprobt, um mehr Nutzer zu erreichen und gleichzeitig die Kosten zu senken. Die Industrie erprobte Videokonferenzen, Banken arbeiteten ohne jegliche terrestrische Verbindungen, Kliniken (Mayo Clinic, Krug Life Science, TEN) experimentierten mit Telemedizin, Unis erprobten neue Dienste, die Army sendete Festbilder und TV ins Hauptquartier und an die Front und Regierungsstellen erprobten den Einsatz von ISDN. Das National Communications System (NCS) erprobte Katastrophenkommunikation f u¨ r den Ausfall des terrestrischen Netzes. Im Richtfunk-Betriebsmodus wurden 900 Mbit/s u¨ ber ACTS geroutet und so auch gr¨ossere Richtfunkstrecken ersetzt. Das Programm erstreckte sich u¨ ber 81 Monate. MOTOROLA nutzte die BasisbandVerarbeitung der Signale (On-Board Processing, OBP) als Entwicklungsstufe f u¨ r IRIDIUM, das ebenfalls OBP und 20/30 GHz Strecken zwischen den Satelliten und der Bodenkontrolle, die IRIDIUM mit dem o¨ ffentlichen W¨ahlnetz verbindet, plante. 8.15.3 Systeme im Ku-, Ka-, Q-, V- und W-Band Insgesamt wurden im Jahr des Neuen Marktes ca. 50 Internet-in-the-Sky-Systeme mit mehr als 1 000 Satelliten proklamiert, in Low Earth Orbit (LEO), Medium altitude Earth Orbit (MEO), Polar Earth Orbit (PEO) und Geostationary Earth Orbits (GEO), in den Frequenzlagen Ku-Band (11/14 GHz), Ka-Band (20/30 GHz) und Q-Band (37,5-42,5 und 42,5-43,5 GHz), V-Band (47,2-50,2 und 50,4-51,4 GHz) und W-Band (56 bis 100 GHz): Internet-in-the-Sky { just above the Clouds 1 SkyStation bei 47,9–48,2 GHz Uplink/47,2–47,5 GHz, geostation¨ar in 20 km Flugh¨ohe

8.15 Breitbandsatellitensysteme

303

Geostationare Systeme 2 ASTRA-Ka von SES mit 11 GEOs im Ka-Band 3 EchoStar von EchoStar Corp. mit 2 GEOs im Ka-Band (wird z.Zt. nicht verfolgt) 4 EuSkyWay von ALENIA mit 5 GEOs im Ka-Band 5 Orion von LORAL mit 8 GEOs im Ka-Band (wird z.Zt. nicht weiterverfolgt) 6 VoiceSpan von AT&T mit 16 GEOs im Ka-Band (wird z.Zt. nicht weiterverfolgt) 7 iSky von Ka-Star Corp. mit 2 GEOs im Ka-Band (wird z.Zt. nicht weiterverfolgt) 8 MorningStar von MorningStar Corp. mit 4 GEO im Ka/Ku-Band 9 Net-Sat von NetSat Corp. mit 1 GEO im Ka-Band 10 NET 36 von PanAmSat (Hughes), 9 GEOs, Ka-Band (wird z.Zt. nicht verfolgt) 11 ASTROLINK von Lockheed Martin Tlcm. LMT mit 5 bis 9 GEO im Ka-Band 12 GE Star von GE Americom mit 9 GEOs im Ka-Band 13 SpaceWay von Hughes Communications mit 6 GEOs im Ka-Band 14 ASTER von Spectrum Astro Inc. mit 25 GEOs im Ka-Band 15 Eutelsat Ka-Band 16 WildBlue, Denver, USA; Ka-Band 17 StarBand von MicroSoft und EchoStar Hybride ,,Internet-in-the-Sky"-Systeme 18 SkyBridge von ALCATEL mit 64 LEOs und bis zu 9 GEOs, im Ku-Band Diese Systeme arbeiten im Ku-, Ka-, Q- und V-Band; die verf u¨ gbare Kapazit¨at in den Frequenzb¨andern ist proportional zur Frequenzlage. Die Anzahl der Systeme ist nicht proportional zum weltweiten Bedarf. Von diesen Programmen sind die Systeme 2, 13, 15 und 16 im Aufbau. Die SkyStation Die US-amerikanische SkyStation sieht 250 Zeppeline vor, die u¨ ber den Weltmetropolen stehen und lokale Breitbanddienste u¨ ber Kleinsterdfunkstellen abwickeln. Die Idee ist fernmeldetechnisch fundiert – 80% des Verkehrs ist lokal, und den kann der Zeppelin handhaben. Das Problem, den Zeppelin in den Jetstreams mit 200 km/h in 20 000 m H¨ohe so zu stabilisieren, dass die Antennen am Boden nicht nachgefu¨ hrt werden m¨ussen – insbesondere bei Nacht, ohne die Energie der Sonne – ist noch nicht gel¨ost. 8.15.4 Das Ka-Band-System von ASTRA Der interaktive R¨uckkanal der Fa. SES unterst¨utzt die (Ku-Band) Fernsehverteilung mit (Ka-Band) Links zwischen Teilnehmer und Service Center, u¨ ber die der Teilnehmer u.a. multimediale Dienste anfordert. Der ASTRA-Ka ging 1999 in Dienst. Weltweit werden ca. 20 geostation¨are Orbitalpositionen von SES koordiniert; wahrscheinlich wird die H¨alfte dieser Systeme verwirklicht, so dass die INTERNETNutzer, die ASTRA-Kunden, die Industrie-, Handels- und Dienstleistungssektoren, Schulen und Beh¨orden mit hinreichender Kapazit¨at versorgt werden k¨onnen.

304

8 Moderne Satellitenkommunikation

8.15.5 Warum Ka-Band? Wie Ka-Band? Neue Systeme wie der R¨uckkanal von ASTRA sind meist gezwungen, in h¨ohere Frequenzb¨ander zu gehen, weil die niedrigen B¨ander belegt sind. Sie m¨ussen dabei Nachteile in Kauf nehmen (siehe Tabelle), bekommen aber auch Vorteile: Gr¨unde f u¨ r das Ka-Band niedrige B¨ander sind voll belegt

Vorteile des Ka-Bandes gr¨ossere Bandbreiten verf u¨ gbar die Antennen sind kleiner (?)

Nachteile des Ka-Bandes (anfangs) h¨ohere Ger¨atekosten h¨ohere Regend¨ampfung

Die Ger¨atekosten in den h¨oheren Frequenzb¨andern werden mit den St¨uckzahlen auf das Niveau des Ku-Bandes fallen und gegen die h¨ohere Regend¨ampfung k¨onnen Massnahmen ergriffen werden. Adaptive Power Control F¨ur das Uplink kann Zusatzleistung im Satellite Interactive Terminal (SIT) am Boden vorgehalten werden. Wenn das Downlink eine gr¨ossere Region bedeckt, wird nur ein Bruchteil dieser Region gleichzeitig stark beregnet; sieht man f u¨ r ¨ jede Ubertragung eine gewisse Regenreserve vor, kann man die Satellitensendeleis¨ tungsreserven der nicht beregneten Ubertragungen auf die kleine Zahl der stark beregneten konzentrieren. Adaptive Load Control Wenn sich ein Spotbeam auf eine relativ kleine Fl¨ache konzentriert, die voll beregnet wird, dann muss man das Verkehrsvolumen in diesem Spot der Ausbreitung anpassen. Lastabbau auf die H¨alfte erlaubt die Erh¨ohung der Leistung der verblei¨ benden Ubertragung um 3 dB; Abbau auf ein Viertel erlaubt die Erh¨ohung um 6 dB etc. Diversity Reception In Einzelf¨allen kann auch diversit¨ar empfangen werden.Der Verkehr wird von einer nicht beregneten Station bedient und u¨ ber alternative Wege zur Beregneten geleitet. Etwa 10 km Separierung reichen schon aus, um dem intensiven Niederschlag zu entkommen.

8.16 Mega LEOs, GEOs, HEOs und HAPs „Mega“ Satelliten u¨ bermitteln Megabit-pro-Sekunde. Mindestens drei Systeme proklamieren Mega LEO Dienste, und je eines als GEO, als HEO und als HAP.

8.16 Mega LEOs, GEOs, HEOs und HAPs

305

Tabelle 8.9 Geplante Mega LEO und GEO Systeme System Betreiber Satelliten Bahnh¨ohe Frequenz ISL Nutzlast Syst. Kosten

Teledesic ‹Soft Corp. 288 LEO 1 400 km 20/30 GHz Ja OBP 9 · 109 €

Celestri Motorola 63 LEO 1 400 km 20/30 GHz Ja OBP 15 · 109 €

SkyBridge Alcatel 64 LEO 1 400 km 11/14 GHz Nein „Bent Pipe“ 3,5 · 109 €

Euroskyway ALENIA 3 GEO GEO 20/30 GHz Nein OBP > 1 · 109 €

PenTriad BART Corp. 9 HEO HEO 40–72 GHz Nein „Bent Pipe“ > 1 · 109 €

SpaceWay Hughes 2 GEOs GEO 20/30 GHz Nein OBP ≈ 1 · 109 €

8.16.1 TELEDESIC Das US-TELEDESIC war geplant als ein Ka-Band Mega LEO f u¨ r die aktive multimediale Telematik mit bis zu 1,5 Gbit/s (f u¨ r Personal Computer Communications; Software and Data Download) und Gesch¨aftskommunikation einschl. Video, aber auch Sprach- und Datendienste auf der Basis von 64 kbit/s Paketvermittlung. Das uplink ist 28,6–29,1 GHz, das Downlink 18,8–19,3 GHz (je 500 MHz). Die Satelliten speichern die empfangenen Pakete und,wenn der Adressat nicht in der gleichen Region ist, leiten sie u¨ ber Intersatellitenstrecken im 22 GHz Bereich weiter (store and foreward). Wie IRIDIUM ben¨otigt TELEDESIC keine terrestrische Infrastruktur. Das System sieht 12 polare Kreisbahnen (mit 98◦ Inklination) mit je 24 Satelliten vor (15◦ Abstand zwischen den Satelliten); es fliegen 288 Satelliten mehrmals t¨aglich in 1 400 km Flugh¨ohe u¨ ber die Pole (wenn der Schwarm korrekt fliegt, u¨ berfliegt alle 30 Sekunden ein Satellit, mit GPS navigierend, den Nord- bzw. S¨udpol). Es bedarf einer exakten Kenntnis der Bahn jedes dieser (mit Reservesatelliten) u¨ ber 300 Flugeinheiten, um Kollisionen zu vermeiden. TELEDESIC wollte ab 2000 ca. 20 Mio Teilnehmer bedienen, international und insb.in Regionen mangelnder Infrastruktur.Die Regend¨ampfung im Ka-Band fu¨ hrt in USA zu 300 min Dienstunterbrechung pro Monat (Dienstverfu¨ gbarkeit 99,3%). Das Nutzerterminal ist typischerweise ortsfest – etwa 0,5 m Durchmesser. Neben der Rechnervernetzung und Videokonferenzen sah man einen Markt in den weniger entwickelten L¨andern. Die Kosten f u¨ r terrestrische Infrastrukturen steigen u¨ berproportional mit sinkender Bev¨olkerungsdichte, so dass es f u¨ r einen grossen Teil der Welt unerschwinglich bleiben wird, am Information Age teilzunehmen. Hier wollte TELEDESIC Dienste auch f u¨ r Regierungsstellen Kommunikation f u¨ r die o¨ ffentliche Verwaltung, Schulwesen, die Gesundheitsministerien und deren Einrichtungen beistellen; Teilhaber an dem 9 Mrd. Euro Vorhaben: – Graig McCaw, der gr¨osste (terrestrische) Mobilfunkbetreiber der USA; j¨ungst von der (in der ortsfesten Kommunikation grossen) AT&T aufgekauft und ausbezahlt; – Microsoft Corp., Redmond (William „Bill“ Gates), der weltgr¨osste SoftwareKonzern (MS-DOS,Windows, Betriebssysteme; seit 1993 mehr als 1 Mrd. Euro/a Gewinn);

306

8 Moderne Satellitenkommunikation

– Boeing Aircraft Co., die 1997 McDonnell-Douglas (DELTA-Launcher), Rockwell International (Hersteller der GPS-Satelliten) und Hughes aufgekauft hat. TELEDESIC hat das Projekt eingestellt und seine Lizenz im Juli 2003 an die US-FCC zur¨uckgegeben. 8.16.2 Celestri Das US-amerikanische Celestri der Fa. Motorola war lediglich eine Antwort auf Teledesic; es sollte im gleichen Gesch¨aftsfeld mit einer a¨ hnlichen Konstellation im gleichen Frequenzbereich Paroli bieten. Es wurde dann aber nicht finanziert und ebenfalls zur¨uckgezogen. 8.16.3 SkyBridge Das SkyBridge-Satellite Telematics, Internetting and Video on Demand (SATIVoD) ist ein Satellitensystem fu¨ r multimediale Dienste: 64 Satelliten in 1 450 km H¨ohe in 8 Bahnebenen, 55◦ inkliniert, a` 8 Satelliten. Das Frequenzband ist Ku (11/14 GHz; im Gegensatz zu TELEDESICs Ka-Band). Das System handhabt bis zu 80 Gbit/s; der Nutzer bekommt bis zu 60 Mbit/s. Gateways leiten den Verkehr in das terrestrische Netz; die Satelliten sind nicht verbunden (keine ISL). SkyBridge verspricht eine Diensteverf u¨ gbarkeit von 99,7% (120 min/Monat wetterbedingte Unterbrechung). In Gebieten hohen Verkehrsaufkommens (Europa, USA etc.) wird die Konstellation von einzelnen geostation¨aren Satelliten unterst¨utzt(!). Skybridge wurde funkverwaltungstechnisch bei der FCC (USA) angemeldet. Das verwendete Ku-Band ist in Konkurrenz mit unz¨ahligen GEOs, die schon seit langem in diesem Band arbeiten, also Vorrecht haben. SkyBridge verspricht, die St¨orung dieser Systeme dadurch zu vermeiden, dass sie die Abstrahlung dann unterbrechen, wenn die Verl¨angerung der Funkstrecke auf einen GEO treffen und ihn st¨oren w¨urde. Da ein SkyBridge-SAT im Mittel vier Satelliten sieht, kann der Verkehr auf eine andere Flugeinheit umgeleitet und so die Verbindung aufrechterhalten werden. Skybridge wollte den Verkehr 2001 aufnehmen; bei Redaktionsschluss hat man noch nichts davon geh¨ort. Skybridge hat seine Lizenz nicht an die US-FCC zur¨uckgegeben.

8.16.4 EuroSkyWay Das EuroSkyWay der Fa. Alenia wurde lange von der ESA gef o¨ rdert, obwohl eine professionelle Markteinf u¨ hrung nicht erkennbar war. Immerhin w¨are es geostation¨ar geflogen und hatte im 20/30 GHz Bereich technologisch sinnvolle Ans¨atze, bevor es dann auch ad acta gelegt wurde, wie es scheint.

8.16 Mega LEOs, GEOs, HEOs und HAPs

307

8.16.5 QUASISTATIONARY/PENTRIAD Das geplante US-System PENTRIAD soll auf LOOPUS-Bahnen (s. Kap. 2.5) fliegen (14,4h-Periode). Mit neun Satelliten werden f u¨ nf (PENT) Schleifen geflogen, zur Abdeckung der drei (TRIAD) industrialisierten Regionen dieser Welt: Nordamerika, Europa und Nordostasien (China/Japan/Korea/Singapur). Mit nur neun aktiven Satelliten wird etwa 90% des Weltwirtschaftsraumes bedient. PENTRIAD ist bei der FCC (USA) angemeldet mit den Betriebsfrequenzen Ku-Band: 10,7-12,7 GHz und 14,0 - 14,5 GHz (Space-to-Earth), Q-Band: 37,5 - 38,5 GHz und 40,5 - 42,5 GHz (Space-to-Earth) V-Band: 47,2 - 50,2 GHz (Earth-to-Space) W-Band: 66,0 - 67,0 GHz (Space-to-HAPS18 ), 71,0 - 72,0 GHz (HAPS-to-Space). Damit wird Gesch¨aftskommunikation unterst¨utzt, die Verbindung von KonzernLANs und -WANs, oder auch die Verbindung von Glasfaserkopfstationen mit den Kunden im Stadtzentrum. Ausserdem werden Fernsehverteilung, BreitbandInternetting und multimediale Dienste angeboten. Die Nutzer verwenden kleine aber gerichtete Antennen der Gr¨osse einer Pizza. Die betr¨achtliche D¨ampfung des H¨ochstfrequenzsignales in der Atmosph¨are wird durch die grosse Elevation zum LOOPUS begrenzt, die in der aktiven Schleife ≥ 70◦ ist. Die Wegl¨ange L durch die Atmosph¨are als Funktion der Elevation " ist  L = −R · sin(") + R2 · sin2 (") + 2 · R · H + H 2 (8.1) mit R = 6378 km (Erdradius) und H = 5 km der effektiven H¨ohe der Atmosph¨are. Damit ergeben sich folgende Wegl¨angen und Regend¨ampfungen: Elevation " Gesamtwegl¨ange Wegl¨ange L Regend¨ampfung bei 11/14 GHz ” bei 20/30 GHz

90◦ 35 787 km 5000 m 10,0 dB 25,0 dB

70◦ 36 115 km 5300 m 10,6 dB 25,6 dB

20◦ 39 555 km 15 000 m 30,0 dB 75,0 dB

Die Wegl¨ange bei 20◦ Elevation ist fast dreimal so lang wie die f u¨ r " = 70◦ . Wenn die Regend¨ampfung bei 70◦ z.B. 10 dB betr¨agt, w¨urde sie bei 20◦ Elevation zu 30 dB. Die 10 dB kann man durch geeignete Protokolle noch auffangen, nicht aber 30 dB Zusatzd¨ampfung, die man z.B. in Nordeuropa zum GEO h¨atte. Durch die Verwendung der LOOPUS-Bahn wird im PENTRIAD-System der Einsatz h¨ochster Frequenzen (in den Q-, V- und W-B¨andern) erm¨oglicht. 8.16.6 SpaceWay Die kommerzielle Weiterf u¨ hrung der ACTS-Technologie (s. Kap. 8.14.2, Das ACTS der NASA) wurde von Hughes Communications Galaxy Inc. mit dem System SPACEWAY angemeldet. Es beinhaltet eine Flotte geostation¨arer Satelliten mit 48 Spot18

HAPS = High Altitude Platforms; Vehikel, die als Relais in der Stratosph¨are fliegen

308

8 Moderne Satellitenkommunikation

beams u¨ ber den USA (im Ka-Band; 20/30 GHz) f u¨ r den Betrieb mit sehr kosten¨ effektiven VSATs f u¨ r die Ubertragung von Sprache, Bildtelefon, IP und Video zu privaten Teilnehmern wie auch zu Gesch¨aftsanschl¨ussen. Am Boden werden mit VSAT von 66 cm Durchmesser bis zu 384 kbit/s gesendet und empfangen, f u¨ r Bildtelefon und Medium Data Rate (MDR). Im Raum wird eine Weiterentwicklung des ACTS-OBP verwendet.Jeder Satellit bedient eine Bandbreite von 5,7 GHz – weit mehr als in passiven Satelliten dieser Gr¨osse. Noch in 2006 ging SpaceWay von Hughes in Dienst: Drei GEOs, zun¨achst auf 102.8◦W und 99.2◦W u¨ ber Nordamerika, im Ka-Band, mit bordseitiger Signalverarbeitung und (insb.) Vermittlung von 512 kb/s bis 16 Mb/s zwischen den 48 Zellen, die der Satellit auf Nordamerika projiziert, in Mesh-Topologie mit „hopping spot beams“, f u¨ r Sprache, Internet, Daten,Video und Multimediaanwendungen einschliessich Multicast und Broadcast. Das System hat die zehnfache Kapazit¨at von herk¨ommlichen, geostation¨aren Systemen (10 Gb/s) und etwa die hundertfache von LEO-Systemen – zu einem Zehntel der Kosten von LEO-Systemen.  8.16.7 Netzkontrolle und Uberleitfunktion Die Netzkontrolle verwaltet die Ressourcen des Netzwerks, stellt sicher, dass die Nutzer die gew¨unschten Dienste mit der gesetzten Priorit¨at und der vereinbarten Qualit¨at erhalten,kontrolliert den Verkehr im Netz und sorgt f u¨ r die Umsetzung des ¨ Teilverkehrs,der in ein anderes Netz abgehen soll. Uber die reineVermittlungsfunktion hinaus organisiert die Netzkontrolle auch die B¨undelung von Verkehr gleichen Zieles (Multiplexing), einschliesslich solchen Verkehrs, der zu einem gemeinsamen Ziel in einem anderen Netz geroutet wird. 8.16.8 Protokolle Das Protokoll,im alten Griechenland ein den amtlichen Papyrusrollen vorgeleimtes Blatt, ist ein im Voraus und nach bestimmten Regeln definierter Ablauf, Vorgang oder Prozess bzw. die Aufzeichnung eines solchen Prozesses. In Kommunikationsund Rechnernetzen sind nach bestimmten Regeln definierte Abl¨aufe und Prozesse bei Aufbau, Aufrechterhaltung und Abbau von Verbindungen unerl¨asslich. Diese werden in Kap. 6.6 beschrieben.  8.16.9 Uberleitfunktion/der Gateway ¨ Der Gateway ist die Ubergabestelle zwischen zwei, auch dissimilaren, Netzen. Er setzt unterschiedliche Standards (analog/digital etc.), Bitraten (2,4 kb/s im Mobilfunk/64 kb/s ISDN etc.) und Kommunikationsprotokolle (bis zur Schicht 7) um. 8.16.10 Zusammenfassung Mega Systeme Die Breitbandsysteme weisen die Richtung in die Zukunft der funkgest¨utzten Telekommunikation. Die Beispiele SkyBridge/Pentriad und Celestri/TELEDESIC demonstrieren auch das Ausmass an S¨attigung des nutzbaren Frequenzbandes, das

8.17 Zusammenfassung

309

wir schon heute erreicht haben. Die Erschliessung immer h¨oherer Frequenzbereiche ist ebenso notwendig wie die Umlegung all jenes Verkehrs, der nicht von der Funkst¨utzung abh¨angt, auf die Glasfaser.

8.17 Zusammenfassung Kommerzielle Satelliten-Datenverteildienste wurden in den USA fl¨achendeckend eingef u¨ hrt und auch in Europa stehen heute unz¨ahlige Netze. Im hochtechnisierten Europa wird der Anschluss an die internationale Konkurrenz in Effizienz und Flexibilit¨at,u.a.im Innovationsbereich,angestrebt.Die Kosten der Satelliten¨ubertragung folgen dem Trend in der Elektronik: Sie werden von Jahr zu Jahr geringer. Dennoch sollten VSAT und insb. Hub, wenn immer m¨oglich, geteilt werden. Es ist abzusehen, ¨ dass ein gemeinsamer Industriestandard fu¨ r die Ubertragung, den Zugriff und die Protokolle eingef u¨ hrt wird. VSAT begannen vor ca. zehn Jahren; bis vor kurzem hiess es, dass sie sp¨atestens in der n¨achsten Dekade von den terrestrischen Netzen wieder verdr¨angt werden w¨urden. Heute ist ersichtlich, dass die Satellitenl¨osung eine gr¨ossere Zukunft hat als je angenommen wurde, im professionellen wie im pers¨onlichen Bereich. Die neue Generation von Satellitensystemen, angef u¨ hrt von ACTS und umgesetzt in SpaceWay etc., wird noch gr¨ossere Bitraten anbieten, nicht jedoch noch kleinere Terminals. Diese Bitraten werden nur bei h¨oheren Frequenzen m¨oglich, in denen die Signale aber in der Atmosph¨are – insb. bei Regen – extrem ged¨ampft werden. Die Frequenzen reichen schon heute bis 67/72 GHz-Bereich. Es werden neue Protokolle und Verf u¨ gbarkeitsdefinitionen ben¨otigt, f u¨ r Unterbrechungen von f u¨ nf bis zehn Std. pro Monat. ¨ Asynchrone Store-and-Forward Ubermittlung scheint der Transfer Modus der Zukunft, mit ATM (das auch u¨ ber Satelliten l¨auft) dem zentralen Verfahren. EuroSkyWay zielt eher auf den kommerziellen Nutzer, w¨ahrend Teledesic auch den privaten PC-Besitzer und Internet-User ansprach. Beide Arten von Anwendern verlangen in der nahen Zukunft Mbit/s und Gbit/s vom Netz zum Anwender; in der umgekehrten Richtung werden einige kb/s ausreichen, da der Nutzer in der Regel nicht mehr generiert. Die Blase der Mega-LEO Systeme ist geplatzt, Teledesic ist abgesagt, die GEOs u¨ bertragen die Gigabits pro Sekunde ins Haus oder ins B¨uro. Auch die Personal Communications (PCS) sind zum GEO zur¨uck gekommen. Ebenso wird Fernsehen und digitaler H¨orrundfunk (Digital Audio Broadcast; DAB) vom GEO aus verteilt, in Europa, dem amerikanischen Kontinent, in Asien und Afrika. DAB war mit mehreren Systemen schon seit mehr als zehn Jahren im GEO; die neuen Systeme bringen aber den Handy-Empf¨anger. F¨ur Breitbanddienste mit Megabitraten wurden 1997 etwa 130 neue Ka-Satelliten im GEO proklamiert, fast alle unter US-Kontrolle und u¨ ber die ganze Welt verteilt. Europa war in dieser entscheidenden Phase der Globalisierung – die so relevant f u¨ r die Zukunft Europas ist – nicht Motor der Entwicklung. Erfahrungsgem¨ass werden aber nicht alle Systeme, die die USA proklamieren, dann auch realisiert. Auch

310

8 Moderne Satellitenkommunikation

Ballone wurden von den USA vorgeschlagen,um weltweiten Web-Zugang und Breitbanddienste (bei 47 GHz) zu erm¨oglichen. Wenn immer der Verkehr terrestrisch u¨ ber einige Knotenrechner f u¨ hrt (und dabei einige 100 ms Laufzeit erf¨ahrt), wird die stratosph¨arische Plattform vergleichsweise attraktiv. Geostation¨are Satelliten werden also noch lange das Arbeitspferd der Satellitenkommunikation bleiben.Sie konzentrieren sich auf das Zielgebiet,w¨ahrend die LEO 70% der Zeit u¨ ber Wasser und 80% der Restzeit u¨ ber W¨uste oder unbewohntem Land fliegen, ihre Kapazit¨at also 94% der Zeit ungenutzt bleibt. Die US-Anmeldungen von Breitbandsystemen einschliesslich LEO beinhalten u¨ ber 1 000 Satelliten, die ca. 34 Mrd. Euro kosten; der weltweite kommerzielle Umsatz in der Raumfahrt u¨ bersteigt 60 Mrd. Euro p.a. und w¨achst etwa 20% j¨ahrlich. Daneben arbeiten auch Ortungssysteme im GEO: S¨amtliche satellitengest¨utzte Funkortungssysteme, die heute Rendite erwirtschaften, sind im GEO (OmniTracs, EutelTracs, StarFix, FUGRO etc.). Auch zuk¨unftige NAVSAT-Systeme werden GEOs beinhalten (EGNOS,WAAS,MSAS,GAGAN,BEIDU etc.),unterst¨utzt z.B.von IGSOs; beide k¨onnen regional aufgebaut werden. Weltweit verdoppelt sich die Satellite Performance alle zwei Jahre – ein Effekt a¨ hnlich Moore’s Law, der 1975 prophezeite, dass sich die Anzahl der Transistoren in integrierten Schaltkreisen alle 1,5 Jahre verdoppeln w¨urde – was bis heute zugetroffen ist, wie auch die f u¨ r „moderne“ Software notwendige Speicherkapazit¨at sich alle 1,5 Jahre verdoppelt.

Literaturhinweise Satellite Broadband, monatliche Fachzeitschrift; 5 680 Greenwood Plaza Blvd., Greenwood Village, Con., USA, 2001 Hans Peter Dittler,„Das neue Internet-Protokoll“, dpunkt.verlag, 2001 J. Everett,„VSATs“, IEE Telecommunications Series 28, 1992 Czichos, H., Hennecke, M.,„Das Ingenieur-Wissen“, Springer, 2004 J¨ahne, B.,„Digilae Bildverarbeitung“, Springer, 2005

9 Der klassische Satellitenmobilfunk

„Via MARISAT zum Schiff, zum Flieger, zum Auto – der Satellitenmobilfunk“ Von INTELSAT-I mit seiner Dipolantenne und Erdfunkstellen von 30 m Durchmesser und 1 kW Sendeleistung vor 40 Jahren herkommend, sind wir heute bei INMARSAT-4 mit Satellitenantennen von 30 m Durchmesser1 und der Dipolantenne im Handy – das Bild zeigt den INMARSAT-4,der mit seinem On-Board-Processor 228 Zellen am Boden vermittelt. Jede Zelle kann mit jeder anderen Zelle verbunden werden; der „Switchboard in the Sky“.

Abb. 9.1 Der Inmarsat-IV mit einer Sende-/Empfangsantenne von 11 m Durchmesser

1

Satellitenantennen mit 23 m Durchmesser sind von Moblie Satellite Venture – MSV (USA) beauftragt; die 30 Meter-Antenne wird noch in dieser Dekade realisiert werden

312

9 Der klassische Satellitenmobilfunk

Der satellitengest¨utzte Mobilfunk ist von grosser Nachhaltigkeit, ohne Konkurrenz vom Kabel. Nachdem Guglielmo Marconi 1896 die erste Funkstrecke und 1901 die Transatlantik¨ubertragung demonstrierte, folgten 1906 die maritime, 1911 die aeronautische und 1920 die Anwendung zu Lande (durch die Stadtpolizei Detroit). 1946 wurde der Mobilfunk in USA kommerziell eingef u¨ hrt, 1976 wurde der Satellitenmobilfunk – mit Marisat - weltweit verf u¨ gbar. Dabei haben die Sparten – zu Lande, spurgebunden (Schiene, Wasserstrasse); nichtspurgebunden (urban, u¨ berland), – zur See, im Oberwasserbereich, im Unterwasserbereich, – in der Luft/im Raum, im aeronautischen, astronautischen und extraterrestrischen Bereich jeweils spezifische Anforderungen an die Dienste und insbesondere die Terminals. Das Marktpotential f u¨ r den Satellitendienst beinhaltet die allgemeine Kommunikation (einschl. Fernsehen), die Ortungsdienste und die Verkehrstelematik, die auf beiden fusst. Die registrierten Mobilfunksatellitensysteme, geostation¨ar und in niedrigen Bahnen, im Amateurfunk, kommerziell und milit¨arisch, sind in Tabelle 9.1 gelistet.

Tabelle 9.1 Satellitengest¨utzte Mobilfunksysteme, umlaufend und geostation¨ar 1 2 3 4 5 6 7 8

AMSAT, USA ArabSat-II/Mobile, Arabien ARIADNA, Ukraine ARIES, USA AUSSAT/Mob, Australia DFH3/M, China ECCO, Brasil EutelTracs, EU

9 10 11 12 13 14 15 16

Globalstar, USA GOMS, RUS GONETS, RUS HISPASAT/L-Band, E INNS System, Japan INSAT/M, India IRIDIUM, USA MARAFON, RUS

17 18 19 20 21 22 23 24

MSAT, Can OmniTracs, USA PROGNOZ, RUS QUALCOM, USA SARIT, Italy SJC/GMS, Japan TMI, Can VOLNA, RUS

9.1 Mobilfunk via Satellit Die operationellen Systeme der American Mobile Satellite Corp. (AMSC), TCI (TELE-SAT Mobile Inc., Can) und ACTEL (African Cellular TEL) sind klassische Beispiele f u¨ r den geostation¨aren Satellitenfunk, urspr¨unglich zum Fahrzeug und heute zum Handy. Diese Systeme, die vom geostation¨aren Orbit aus arbeiten (Super-GEOs; GEO-Mobiles), sind in Tabelle 9.2 gezeigt. Die Systeme 1 bis 7 sind in Betrieb oder in der Realisierung, die restlichen sind angemeldet oder zum Teil im Bau (s. Kap. 10.5).

9.2 Maritimer Funk via Satellit – die INMARSAT

313

Tabelle 9.2 Super-GEO Mobilfunksysteme in der geostation¨aren Umlaufbahn 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Al Thuraya (North Africa to Sri Lanka mobile telecommunications system) INMARSAT-4 (das Handy) mit globaler Abdeckung AMSC (American Mobile Satellite Corp., USA) TMI, Telesat Mobile Link in Canada (M-Sat; AMSC-baugleicher Satellit) ACeS (Asean Cellular Satellite System) GARUDA, Indonesien OPTUS (Australien, Bedeckung Australiens) MTSAT (Japan, Ostasien) ACTEL (African Continental Telecommunications, TMI-baugleicher Satellit) APMT (Asian/Pacific Mobile Telecommunications System) ETS-VIII (MPT, Japan; 18 m Antenne) MSV Mobile Sat. Venture, USA, Boeing-S/C, 2010, 23 m Antenne (400 m2 Apertur) COMETS (Japan) VOLNA Marafon (RUS)

9.2 Maritimer Funk via Satellit { die INMARSAT Seit Beginn des Satellitenfunks bem¨uhten sich Ingenieure,ihn auch f u¨ r den Seefunk einzusetzen.1971 demonstrierte COMSAT Labs (Kim Kaiser) das Satellitenlink zum Schiff (der QE2) via INTELSAT. Mitte 1973 begr¨undete dann die COMSAT General Corp. (USA) in einer privatwirtschaftlichen Initiative das Projekt MARISAT und nahm ab Januar 1976 drei Satelliten und 200 auf Schiffen installierte Terminals in Betrieb. Die Lebensdauer der Satelliten war auf f u¨ nf Jahre ausgelegt. 1979 wurden die Satelliten in die Dienste der von der COMSAT instigierten, neu gegr¨undeten Interim International Maritime Satellite Organization gestellt. 1982 nahm die von der UN-Unterorganisation International Maritime Organization (IMO) begr¨undete, endg¨ultige INMARSAT2 – mit einem Mandat a¨ hnlich dem der INTELSAT – den Dienst auf. Die INMARSAT befand sich in dieser Phase im Besitz der TelekomGesellschaften (fr¨uher: Signatare); die Anteilsh¨ohe richtete sich nach dem Nutzungsgrad des Systems durch den Signatar; so hielt die British TELECOM ca. 12%, die Deutsche Bundespost < 3%. Nachdem die INMARSAT dann Mitte der 80er Jahre ihre eigenen Satelliten in Betrieb genommen hatte, diente ihr immer noch ein MARISAT als Reservesatellit, ein MARISAT wurde in den USA f u¨ r Mobilfunk eingesetzt, und der dritte verbindet noch heute die National Science Foundation (USA) mit Forschungsstationen in der Antarktik. So er¨offneten und betrieben die MARISATs weltweit die Kommunikation zur See, aeronautisch und zu Lande einschliesslich Notruf und produzierten einen Gesch¨aftsplan, der einzigartig in der Geschichte der Raumfahrt (und wahrscheinlich der Betriebswirtschaft) ist.

2

IN ternational MARitime SATellite organization, eine zwischenstaatliche Organisation

314

9 Der klassische Satellitenmobilfunk

Der Status heute Nach der INTELSAT wurde am 1.4. 1999 auch die INMARSAT privatisiert und 2003 dann von der Fa. Apax Partners and Parmira3 u¨ bernommen; der Wert der INMARSAT wurde auf US $ 1,5 Milliarden gesch¨atzt. Schon 1993 machte die INMARSAT einen Umsatz von 640 Mio. Euro; sie hatte ein Nettoergebnis von 66 Mio. Euro p.a. 2005 ging die INMARSAT an die Londoner B¨orse. Im Jahre 2001, 25 Jahre nach Begin of Service, erhielt INMARSAT in den USA das Recht, auch dort ihre Sprach- und Datendienste zu betreiben. In 2006 hat dann die Fa. MSV4 vor der Regulierungsbeh¨orde FCC5 geklagt, der INMARSAT in den USA nur die Leistungsdaten von 1996 zuzulassen, also nicht den vorgesehenen Betrieb von INMATSAT-4, so dass MSV mit einem leistungsf¨ahigen Satelliten der INMARSAT-4-Klasse (23 m Antenne) ein Alleinstellungsmerkmal hat. Die Aktivitaten Die INMARSAT spezifiziert das Gesamtsystem, stellt die Satellitenkapazit¨at rund um den Globus bei, typenpr¨uft die Terminals (Type Acceptance Test) und sichert das st¨orungsfreie Zusammenwirken aller Systemkomponenten. Die installierten Terminals werden einer Betriebspr¨ufung unterzogen (Commissioning Test) und erhalten dann eine Terminalrufnummer (Terminal Call Sign). INMARSAT-III hatte f u¨ nf Satelliten. Damit waren in 2000 neun Satelliten und 40 Gateway-Stationen in 31 Staaten weltweit in Betrieb, mit 150 000 Terminals. Die Einnahmen betrugen 400 Mio. Euro p.a. Mitte 2001 waren 200 000 Terminals in Betrieb, 100 000 davon zur See, der u¨ berwiegende Rest an Land. Die geostation¨aren Satelliten sind auf den folgenden Positionen: – Atlantik, Ost – Pazifik

15,5◦W 178,0◦O

– Atlantik, West 54,0◦W – Indischer Ozean 64,5◦ O

Die Entwicklung des INMARSAT Systems in den ersten 25 Jahren ist in Tabelle 9.3 gezeigt. Tabelle 9.4 zeigt die Entwicklung der Satellitentechnik bei INMARSAT. Global Covergage { You Are Never Beyond Reach Mit ihren vier geostation¨aren Satelliten bedeckt die INMARSAT den gesamten Globus bis zum 76. Breitengrad (mit 5◦ Elevation) bzw. zum 82. Breitengrad (0◦ Elevation). Das sehr residuale Verkehrsaufkommen an den Polen wird von den zum Teil noch funktionst¨uchtigen, aber hoch inklinierten MARISATs zufriedenstellend abgedeckt (bis zu 8 Mb/s am Nord- bzw. S¨udpol). 3

4 5

eine internationale, auch in Deutschland ans¨assige Beteiligungsberatung im Bereich Risikokapitalanlagen (Venture Capital) Mobile Satellite Ventures, USA Federal Communications Commission, Washington

9.2 Maritimer Funk via Satellit – die INMARSAT

315

Tabelle 9.3 Die Entwicklung der INMARSAT Teilnehmer in den ersten 25 Jahren Jahr 1977 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002

Teilnehmer 2 000 74 000 104 000 140 000 182 000 228 000 278 000 342 000

Zuwachs 2 000 72 000 30 000 36 000 42 000 46 000 50 000 54 000

Tabelle 9.4 Die Entwicklung der INMARSAT-Satelliten Inmarsat 1

Inmarsat 2

Inmarsat 3

Inmarsat 4

Zahl der Satelliten Inbetriebnahme Bedeckung

3 1976 1 Global Beam

4 1990 1 Global Beam

5 1996 1 Global Beam + 7 Wide Spots

Satelliten EIRP pro Kanal Transponder Zahl der Sprachkan¨ale Zahl der 64 kb/s Kan¨ale Zahl der 384 kb/s Kan¨ale Gesamtbandbreite Satellitentrockengewicht Fl¨ugelweite

19 dBW 1 6 0 0 4 MHz 326 kg 1,6 m

39 dBW 4 250 0 0 18 MHz 700 kg 15 m

49 dBW 46 1 000 200 0 33 MHz 1 000 kg 21 m

3 2005 1 Global Beam + 19 Wide Spots + 228 Narrow Spots 67 dBW 588 18 000 2 250 588 34 MHz 3 340 kg 45 m

Insbesondere deckt die INMARSAT aber auch den gesamten Pazifik l¨uckenlos ab, was umlaufende Konstellationen wie zum Beispiel GLOBALSTAR k¨onnen. GLOBALSTAR funktioniert nur dort, wo eine Gateway-Erdfunkstelle ist (und GLOBALSTAR deckt auch nicht die Pole ab). INMARSAT IV In 2005 ging INMARSAT-IV in Betrieb, mit noch leistungsf¨ahigeren Satelliten f u¨ r die mehr als 300 000 Teilnehmer, mit neuen Diensten wie z.B. Internet/Intranet/EMail, Video-Konferenz/Video-on-Demand mit bis zu 492 kbit/s zum Palm-Top – die Kommunikation im Breitband Global Area Network (B-GAN). Jeder Satellit hat 588 Kan¨ale a` 492 kbit/s. Hierf u¨ r wird Turbo-Codierung und 16QAM Modulation eingesetzt.

316

9 Der klassische Satellitenmobilfunk

Der INMARSAT-IV Satellit mit seinen 6 t Einschussgewicht produziert 12 kW und strahlt u¨ ber grosse Entfaltantennen 228 Spotbeams mit 67 dBW EIRP ab. Die Zellen am Boden werden mit einem 2 Gb/s schnellen Bordprozessor vermittelt. Damit l¨asst sich ein grosser Frequency-ReUse-Factor erzielen, der das nutzbare Spektrum vergr¨ossert. ¨ Die Ubertragung von 8 Mbit, die im GSM (mit 2,4 kbit/s) 36 bis 150 Euro kosten, liegen zwischen 3 und 5 Euro. Die beiden Satelliten werden im Osten u¨ ber Europa/Naher Osten und u¨ ber dem amerikanischen Kontinent positioniert. Der dritte Satellit dient als Reserve. Der Rest der Welt wird weiterhin mit der Kapazit¨at der INMARSAT-III Satelliten bedient. Deutsche Kunden nutzen das System u¨ ber die Telecom France. 9.2.1 Die Kommunikationsdienste Das INMARSAT-System arbeitet in den klassischen Satelliten-Mobilfunk-B¨andern 1626,5–1660,5 MHz (34 MHz) plus 1668,0–1675,0 MHz (7 MHz) Erde → All und 1525,0–1559,0 MHz (34 MHz) plus 1518,0–1525,0 MHz (7 MHz) All → Erde. Der Frequenzversatz des 34 MHz Bandpaars ist 101,5 MHz oder 6% (sehr knapp), der des 7 MHz Bandpaars 150,0 MHz oder 10%. In diesen Satellitenmobilfunkb¨andern (Mobile Satellite Services; MSS) ist Landmobilfunk, Seefunk und Flugfunk zugelassen. Das Bandpaar bei 1646,5–1656,5 MHz (10 MHz) Erde → All und 1545,0–1555,0 MHz (10 MHz) All → Erde ist f u¨ r sicherheitskritische (Safety of Life; SoL) Anwendungen vorgesehen. Die Frequenzen L1 = 1575,42 MHz und L5 = 1176,45 MHz dienen der GPSKorrektur (siehe SBAS). Die INMARSAT Rufnummern sind: 5 Stellen Vorwahl: 00871 f u¨ r Atlantik-Ost, 00872 Indischer Ozean, 00873 Pazifik, 00874 f u¨ r Atlantik-West, 00870 wenn Terminalposition nicht bekannt; 3 Stellen Landeskennung des Terminals; 5 Stellen Teilnehmerkennung (ship call sign). Die Satellitenterminals sind in die folgenden Typen untergliedert: – Standard A – Standard B – Standard C – Mini-C – Standard D+ – Standard E – Standard M

Analoge Sprache, Fax, Personenruf, E-Mail, Daten bis 64 kbit/s Digitale Sprache, Fax, Personenruf, E-Mail, Daten bis 64 kbit/s Fax, Personenruf, Messaging und E-Mail, GMDSS, Daten ≤ 600 bit/s E-Mail und SMS bis zu 300 bit/s Personenruf mit R¨uckkanal f u¨ r Quittung etc. Seenotruf mit Emergency Position Indicating Radio Beacons (EPIRBs) Notebook Gr¨osse, ca. 45 cm × 35 cm × 8 cm einschliesslich Antenne; Digitale Sprache, Fax, Paging, E-Mail, Daten bis 6,4 kbit/s

9.2 Maritimer Funk via Satellit – die INMARSAT

– Mini-M – M4

– Standard P – AERO

317

Notebook-Gr¨osse-M-Terminal; die Gespr¨achsminute 1,00 bis 3,00 € Handy f u¨ r mobilen INTERNET-IP-TCP Zugriff mit h¨oheren Bitraten; 6,00 €/min; auch als Dual Band Handy INMARSAT/GSM verf u¨ gbar Digitale Sprache, Personenruf, Daten bis 6,4 kbit/s Sprache, Daten & Fax f u¨ r Passagiere, das Cockpit und Air Traffic Control

9.2.1.1 Der Standard-A Die Entwicklung des internationalen Satelliten-Mobilfunks von MARISAT begann 1976 mit dem Standard-A-Terminal f u¨ r den Seefunk. Dieses erste VSAT mit einer 1,2 m Parabolantenne (24 dBi) enth¨alt eine Telefoneinrichtung, Fax, Telex oder Daten (bis 64 kb/s) und den Seenotfunk. Die Antenne ist auch zusammenklappbar (in einem Koffer untergebracht) bzw. eine Flachantenne: Ein quadratisches Phased Array mit 80 cm Seitenl¨ange (21 dBi) wird im Landverkehr und insbesondere in der Luftfahrt verwendet. Das Standard-A wird es heute auch zu Lande (der Grossteil der Kommunikation zwischen Bagdad und der Welt w¨ahrend des Golfkrieges lief u¨ ber INMARSAT Standard-A) und in der Luftfahrt eingesetzt. Das Terminal f u¨ hrte in logischen Weiterentwicklungen u¨ ber den Standard-B zum -C und -M, zuk¨unftig zum Standard-P Handy. Das letzte Standard-A-Terminal wurde 1991 in das System aufgenommen; das Standard-A mit seiner Analogtechnik soll 2007 aus dem Dienst genommen werden. 9.2.1.2 Der Standard-B Der Standard-B l¨ost seit 1993 den Standard-A ab, bietet h¨ohere Bitraten und kann mehr Verkehr bedienen. Anstelle des FM-Sprachkanals arbeitet es mit 9,6 kbit/s bis zu 64 kbit/s f u¨ r digitale Sprache und Daten und bietet damit alle Dienste des Standard-A Terminals an. 9.2.1.3 Der Standard-C Der Standard-C wurde 1989 f u¨ r Dienste mit niedrigen Bitraten und kleinen Terminals (unter 30 cm Durchmesser) eingef u¨ hrt.Es werden paketierte Daten,E-Mail,Telex,Wetterinformationen,GMDSS (Global Maritime Distress and Safety System) und nautische Warnmeldungen und Flottenf u¨ hrung (Fleet Management). C-Terminals sind auf Fahrzeugen wie LKWs, Schiffen und Jachten eingesetzt. Sie u¨ bertragen 600 bit/s (Daten, Bilder, Fax), f u¨ r 0,25 €/min. Schon 1995 waren 20 000 Terminals im Betrieb, 7 500 davon im Landverkehr. Dem Nutzer wird ein Minimum von 160 Bytes verrechnet (f u¨ r 0,016 €), die durchschnitliche Message ist 32 kb lang.

318

9 Der klassische Satellitenmobilfunk

9.2.1.4 Der Mini-C Der Mini-C wurde 2001 eingef u¨ hrt, mit halb so viel Sendeleistung wie Standard-C und halb so grossen Terminals, deren Message maximal 10 kb lang und 300 bit/s schnell ist. Landmobile Dienste sind der gr¨osste Kunde auch des Mini-C (das kein GMDSS hat). 9.2.1.5 Das Aero-H und H+ Das Aero-H erlaubt mit seiner High-gain Antenne (12 dBi) Sprache, Fax und Daten bis 10 kb/s f u¨ r die Kommunikation mit dem Cockpit (Air Traffic Control) und den Passagieren. Das H+ Terminal arbeitet nur in den INMARSAT Spot Beams. 9.2.1.6 Das Aero-L Das Aero-L mit seiner Low-gain Antenne (0 dBi) unterst¨utzt Duplex-Daten bis 600 bit/s. Es entspricht den Anforderungen der International Civil Aviation Organization (ICAO) f u¨ r Safety and Air Traffic Control. 9.2.1.7 Das Aero-I Mit dem AERO-I bietet die INMARSAT einen kosteng¨unstigen Dienst in einem Ausleuchtbereich an, der 95% der wichtigen Luftstrassen abdeckt: Digitale Sprache, Fax und Daten f u¨ r die Passagiere, das Cockpit und Flugsicherungsaufgaben.AEROI wurde von der ICAO f u¨ r Sicherheitsdienste zugelassen. Das Aero-I hat eine Antenne mit Intermediate-gain (6 dBi) und bedient Sprache, Fax und Daten von 600 bit/s bis 4,8 kbit/s f u¨ r die Kommunikation mit Pilot und Passagieren in den ausgeleuchteten Ballungsgebieten. 9.2.1.8 Das Aero-C Das Aero-C, die Erweiterung des Standard-C f u¨ r den aeronautischen Sektor, fu¨ r Flugverkehr in Regionen, die keine UHF und VHF Reichweite haben. Es bedient die ¨ Ubertragung von Wetterkarten, Flugpl¨anen, Maintenance and Fuel Requests, Business and Personal Communications mit 600 bit/s Duplex-Daten f u¨ r Flottenfu¨ hrung, Wetter- und Flugplanupdates, Statusdaten etc. Es wird ein Minimum von 160 Bytes verrechnet (f u¨ r 0,016 Euro). 9.2.1.9 Das Aero-mini-M Dieses 4,5 kg-Terminal eignet sich f u¨ r Privatflugzeuge und kleine Business Jets und u¨ bertr¨agt 2,4 kbit/s bis einschliesslich 9,6 kbit/s.

9.2 Maritimer Funk via Satellit – die INMARSAT

319

9.2.1.10 Der Standard-D Das fast streichholzschachtelkleine Standard-D-Terminal erm¨oglicht weltweiten Personenruf mit 20 bit/s. Dieser Dienst wird in Deutschland z.Zt. nicht unterst¨utzt. 9.2.1.11 Der Standard-D+ Der Standard-D+ beinhaltet den Standard-D plus R¨uckkanal (Quittierung und Daten vom Nutzer zur¨uck zum Sender) in der Gr¨osse eines MiniDiskPlayers. Der R¨uckkanal erfolgt mit nur 2 bit/s. Es ist interessant, dass das Miniger¨at sendeleistungs- und nicht empfangsg¨utebegrenzt ist. Die Standard¨ubertragung ist 8 Bytes zum Netz und 32 Bytes zum Nutzer. Kombiniert mit einem GPS-Empf¨anger sind D+ -Ger¨ate f u¨ r Tracking and Tracing und Supervisory Control And Data Acquisition (SCADA) geeignet. 9.2.1.12 Der Standard-E Standard-E u¨ bermittelt Seenotfunk (E = EPIRB; Emergency Position Indicating Radio Beacon) zur K¨ustenstation (siehe Seenotfunk). Das Ger¨at ist 1,2 kg schwer und setzt die Schiffskennung und den Ort der Havarie via Satellite ab. Das Ger¨at ist ausr¨ustungspflichtig f u¨ r Schiffe mit ≥ 300 BRT und alle Passagierschiffe in internationalen Gew¨assern. 9.2.1.13 Der Standard-E+ Standard-E+ ist Seenotfunk nach dem internationalen Global Maritime Distress and ¨ Safety System (GMDSS) f u¨ r die Ubermittlung von Notrufen zu K¨ustenstationen. Im Gegensatz zum Standard-E wird eine Empfangsbest¨atigung an die Notfunkbake zur¨uckgesendet. Dies ist von grosser Bedeutung fu¨ r den Havaristen und erlaubt ausserdem das Abschalten der Funkbake, so dass die Frequenz wieder frei wird. 9.2.1.14 Der Standard-M ¨ der Nachrichtentechnik, die VorDie M-Terminals er¨offneten 1993 eine neue Ara l¨aufer der Global Personal Communications; mit einem Notebook, Telefon und Fax kann man zum ersten Mal weltweit reisen und, vom S¨ud-Pazifik oder von Gr¨onland aus mit dem Rest der Welt kommunizieren. Diese Eigenschaft des Netzes, den eingetragenen Teilnehmer auf das Netz zugreifen zu lassen, nennt man dort Global Roaming. Der Standard-M ist abh¨orsicher und hat auch eine Mailbox. Der Standard-M fu¨ r PCS-Anwendungen ist weitgehend mit dem australischen Mobilfunk und den amerikanischen Systemen AMSC und TMI standardgleich, so dass sich f u¨ r Ger¨atehersteller ein internationaler Markt darstellt. Im Deckel des Laptop ist die aktive Planarantenne, die, wenn in etwa nach S¨uden gerichtet, den Satelliten findet.

320

9 Der klassische Satellitenmobilfunk

Standard-M bedient digitale Sprache und Datendienste mit Bitraten bis zu ≥ 6,4 kbit/s. Ein typisches Laptop-Terminal kostet unter 1 500,– Euro, wiegt unter 2 kg und hat eine Standby-Zeit von 48 Std.Die G¨ute ist −12 dBi/K.Die Telefonschnur ist 5 m lang, kann aber bis 70 m verl¨angert werden, um das Telefonieren an einem gesch¨utzten Ort zu erm¨oglichen. Die Gespr¨achsminute kostet z.Zt. ca. 2 €, je nach Land und Service Provider. Mit INMARSAT-4 arbeitet das Standard-M im BGAN mit 372 bis 492 kb/s. 9.2.1.15 Das Mini-M Das Mini-M ist eine Fortentwicklung des Standard-M in Notebook-Gr¨osse, also noch kleiner, funktioniert aber nur in den von den INMARSAT-Spotbeams ausgeleuchteten Ballungsgebieten zu Lande. Das Terminal kostet ca. 2 k€; wiegt 2 kg. Die Gespr¨achsminute kostet 1,00 bis 3,00 Euro, je nach Land und Service Provider, f u¨ r Sprache, Fax und Daten bis 9,6 kbit/s. Die EIRP ist im Bereich von 8 bis 14 dBW, die G¨ute mindestens −7 dBi/K. 9.2.1.16 Das Mini-M4 Das Mini-M4 ist f u¨ r den transportablen und mobilen INTERNET-IP/TCP-Zugriff mit h¨oheren Bitraten geeignet. Die Gespr¨achsminute kostet ca. 6,00 Euro. 9.2.1.17 Der Standard-P Der n¨achste Standard wird gegen Ende dieser Dekade das Handy einf u¨ hren, u¨ ber geostation¨are Satelliten, f u¨ r Sprechverkehr und Daten¨ubertragung. Dabei werden ¨ Ubertragungsgeschwindigkeiten von ≥ 64 kbit/s verf u¨ gbar sein. Die INMARSATPerspektive f u¨ r das 21. Jahrhundert sieht – auf der Basis des weltweit betriebenen Mobilfunknetzes f u¨ r Land-, Flug- und Seefunk einschliesslich Positionsbestimmung und Notfunk – den Ausbau des geostation¨aren Raumsegmentes vor. Noch vor dem Jahr 2000 wollte die INMARSAT Personal Communications mit Handys unter 1 000 Euro anbieten und die Gespr¨achsminute unter 1,00 Euro, interoperabel mit terrestrischen Netzen. Da die USA Konkurrenz zu IRIDIUM und GLOBALSTAR etc. sahen, blockierten sie diese Entwicklung der INMARSAT. Dies f u¨ hrte zur Gr¨undung der privatwirtschaftlichen ICO (siehe dort). 9.2.1.18 Die BGAN-Terminals ¨ Die Terminals f u¨ r den B-GAN Dienst arbeiten mit Ubertragungsraten von bis zu 492 kb/s. In den USA kostet das Terminal mit 384 kb/s Empfang und 240 kb/s Senden 2 500,00 US$,die Einheit mit 492 kb/s Empfang und 492 kb/s Senden 3 500,00 US$.

9.3 Der INMARSAT-Spinoff ICO

321

9.2.2 Global Roaming Im INMARSAT-Netz kann man global Gespr¨ache absetzten, aus der Stadt, aus der W¨uste, dem Hochgebirge, der hohen See; das System findet den Teilnehmer (soweit er gefunden werden will und sein Ger¨at eingeschaltet hat), egal, wo er sich befindet; das nennt man dort Global Roaming. INMARSAT ist das einzige Netz, das diesen Global Subscriber Search hat. In allen anderen muss das Handy seiner Stammstation (Home Location Register) sagen, wo es ist, um erreichbar zu sein. Global Roaming heisst im Allgemeinen, dass sich die Suche nach dem Teilnehmer nicht auf das eigene Netz beschr¨ankt, sondern auf andere erstreckt, mit denen „Roaming Abkommen“ bestehen. 9.2.3 Handy-zu-Handy-Verbindungen Die INMARSAT-Verbindung f u¨ hrt vom Handy u¨ ber eine grosse Erdfunkstelle (Shore Station) und das ortsfeste Netz bis zum Teilnehmer. Es k¨onnen auch Verbindungen von mobilen Einheiten zu mobilen Einheiten hergestellt werden; hierf u¨ r muss der Satellit zweimal durchlaufen werden (Double Hop).INMARSAT ist somit auch in Regionen ohne Infrastruktur verwendbar; es ist von o¨ ffentlichen W¨ahlnetzen (Public Switched Telephone Networks: PSTN bzw. Public Land Mobile Network: PLMN) unabh¨angig: das erste globale PCS. 9.2.4 Regional Broadband Global Area Network Broadband Global Area Network BGAN ist ein weltweites Netz, das Daten mit bis zu 492 kbit/s transportiert, acht mal schneller als ISDN (64 kbit/s) und vier mal so schnell wie der terrestrische General Packet Radio Service GPRS; es ist Internet tauglich. Die BGAN Verbindung ist Always On – sie muss nicht f u¨ r jede Einzel¨ubertragung aufgebaut werden – man bezahlt aber nur f u¨ r die u¨ bertragenen Bit, nicht f u¨ r die Pausen. Mit 1,5 kg leichten Aktenkoffer-Terminals ist man mobil und global auf Sendung. Mit INMARSAT-4 ist das Regional BGAN in den bewohnten Gebieten der Erde verf u¨ gbar. Dieser beitbandige Datendienst mit bis zu 492 kbit/s kommt regional immer dort zum Einsatz, wo Breitbandnetze nicht verf u¨ gbar oder zu teuer sind, oder breitbandige Mobilit¨at gefordert wird.

9.3 Der INMARSAT-Spinoff ICO Die 1995 begr¨undete, von der INMARSAT unabh¨angige ICO f u¨ r die pers¨onliche Kommunikation, ging im Laufe der Zeit in die Besitzverh¨altnisse US-amerikanischer Firmen u¨ ber, die es dann aber nicht geschafft haben, das System zu realisieren und weltweit zu betreiben (s. auch Kap. 10.6).

322

9 Der klassische Satellitenmobilfunk

9.4 Tarife Die Kosten, die dem Nutzer verrechnet werden, h¨angen vom lokalen Diensteanbieter (Service Provider) ab. Typische Preise der INMARSAT sind: Strd A 2,00 €

mini-M Big Dish 1,20 €

Mini-M 1,60 €

GAN (M4) 6,00 €

Hinzu kommen die Verbindungen vom Nutzer zur INMARSAT-Bodenstation. Hier verrechnen die Netzbetreiber unterschiedliche Kosten in Hauptzeit und Nebenzeit und unterschiedliche Abrechnungseinheiten (Taktung).

9.5 Der Navigationsdienst SBAS Neben den Kommunikationsdiensten betreibt die INMARSAT seit 1996 (beginnend mit INMARSAT-3) auch Navigationsdienste zur Unterst¨utzung des Globalen Positionsbestimmungssystems (GPS) der US-Streitkr¨afte, das Space Based Augmentation System (SBAS).Das GPS hat in derVergangenheit wenig Information u¨ ber die Funktionst¨uchtigkeit (und damit die Zuverl¨assigkeit der Positionsbestimmung, die so genannte Integrity) ihrer Satelliten herausgegeben. Diese Aufgabe u¨ bernehmen nationale und regionale Systeme weltweit, so auch die INMARSAT mit ihrem SBAS. Des Weiteren beinhalten die SBAS Dienste Daten, mit deren Hilfe die Fehlinformation der GPS-Daten, die Laufzeitfehler verursacht durch die Ausbreitung der Signale (die in der falschen Frequenz senden), durch die Ionosph¨are teilweise korrigiert werden. Die INMARSAT-Satelliten strahlen die GPS-Integrity-Information ab, und zwar auf den GPS-Frequenzen L1 (1575,42 MHz) mit 28,1 dBWEOC und L5 (1176,45 MHz) ¨ mit 26,2 dBWEOC, damit Standard-GPS-Empf¨anger sie ohne Hardware-Anderung empfangen k¨onnen. Die beiden Signale L1 und L5 werden am Boden generiert und im C-Band zum transparenten Transponder im Satelliten hoch gesendet (das 4 MHz breite L1 und das 20 MHz breite L5 Signal) und vom Satelliten dann global abgestrahlt. Die Weiterleitung des mit Atomuhren am Boden generierten Signales u¨ ber einen transparenten Satellitentransponder ist nicht neu und nicht falsch – es gibt wenig systemtechnische Gr¨unde, Atomuhren im Satelliten zu fliegen. Mit dem multimilliardenteuren europ¨aischen GALILEO w¨are die Chance gegeben gewesen, ein System zu etablieren, das – in einem f u¨ r die Positionsbestimmung geeigneten Frequenzband arbeitend (nicht in der Ionosph¨are wie GPS), mit einem geeigneten Monitoring integere Positionierung – auch ohne SBAS – liefert. Die INMARSAT Flotte im SBAS Dienst hat die folgenden geostation¨aren Positionen: 1 2 3

Satellit INMARSAT 3 F1 INMARSAT 3 F2 INMARSAT 3 F3

Kennung IOR AOR-E POR

Position 64◦ O 15,5◦W 178◦ O

Start 03.04.1996 06.09.1996 18.12.1996

9.6 Der Seenotfunk

4 5 6 7 8

Satellit INMARSAT 3 F4 INMARSAT 3 F5 INMARSAT 4 F1 INMARSAT 4 F2 INMARSAT 4 F3

Kennung AOR-W IOR-W AOR-W

Position 54◦W 25◦ O 8,5◦ O 54◦W Reserve

323

Start 03.06.1997 04.02.1998 11.03.2005 08.11.2005 2006

9.6 Der Seenotfunk Die Alarmierung eines Seenotfalles ist problematisch, sobald der bordeigene Kurzwellensender nicht mehr betriebsf¨ahig ist. Mit der geringen Sendeleistung eines Notfunkger¨ates in der Kurz- oder Grenzwelle kann keine Reichweite erzielt werden, schon gar nicht mit der Stummelantenne eines tragbaren Ger¨ates. Bei VHF ist die Reichweite auch durch die Erdkr¨ummung begrenzt. Deshalb betreibt die INMARSAT neben der Kommunikation im 1,6 GHz Band mit dem Standard-E, der Seenotboje, auch Seenotfunk. Das Zugriffsverfahren erfolgt nach dem ALOHAPrinzip. Der Engpass ist der Datenempfang mit extrem schwachen Signalen. Die Flugh¨ohe der geostation¨aren Satelliten und die omnidirektionalen Nutzerantennen f u¨ hren zu extremen Linkbudgets. Ist dann noch die Sendeleistung in der Boje ger¨atetechnisch auf wenige Watt begrenzt und wird das Signal durch Mehrwegeeffekte auf der Wasseroberfl¨ache und Abschattungen durch Wellen verschlechtert, werden die Linkbedingungen fatal. Es muss eine m¨oglichst schwundresistente Modulationsart und eine geeignete Kanalcodierung angewendet werden; ausserdem muss die Bitrate f u¨ r ein minimales C-N o so niedrig wie m¨oglich gew¨ahlt werden. Je kleiner aber die Bitrate (und damit die Filterbandbreite), desto langwieriger die Tr¨agerakquisition und desto ¨ empfindlicher die Ubertragung bei Frequenzverschiebungen durch Dopplereffekt. ¨ Die Ubertragungsstrecke zu einem geostation¨aren Satelliten mit omnidirektionaler Sendeantenne, begrenzter Sendeleistung eines batteriebetriebenen Ger¨ats von etwa 1 W bei 1,6 GHz, einer Schr¨agentfernung von > 40 000 km und bei zeitweise 10 dB Signalverschlechterung durch Mehrwegeeffekte ist von einem Schwierigkeitsgrad, der mit konventioneller Technik nicht zu beherrschen ist. Um mit z.B. C-N o = 15 dBHz noch auf eine ausreichende Bitenergie/Rauschleistungsdichte Eb − No von ca. 10 dB zu kommen, d¨urfte die Bitrate nicht gr¨osser als 3 bit/s sein. Dagegen spricht der durch Wellenbewegung zustande kommende Dopplereffekt (von bis zu 30 Hz), sowie die geforderte Schnellakquisition eines unbekannten Signals innerhalb eines Frequenzbandes von z.B. 200 kHz. Fallbeispiel: Linkbudget einer Seenotfunkubertragung ¨ Mit den in Tabelle 9.3 gezeigten Ubertragungsparametern ergibt sich f u¨ r die ¨ Ubertragung von 3 b/s von der Boje zum Satellit die folgende Leistungsbi¨ lanz (C-N o,req wird von der Ubertragung verlangt, C-N o,avail ist auf der Strecke verf u¨ gbar):

324

9 Der klassische Satellitenmobilfunk

C-N o,req = Eb − No + 10 log (Bitrate) = 10,0 dB + 5,0 dBHz = 15,0 dBHz C-N o,avail = EIRPBoje − PL + G-T sat − K − Polarisationsverluste ¨ − Ubertragungsreserve = 0,0 dBW − 198,2 dB − 12,5 dBi/K + 228,6 dBJ/K − 1,0 dB − 1,9 dB = 15,0 dBHz (die EIRP der Seenotfunkboje wurde mit 1 W oder 0,0 dBW angenommen, die Freiraumd¨ampfung ist 189,2 dB, die Mehrwegedegradation 9,0 dB, der Pathloss PL also 198,2 dB und K die Boltzmann-Konstante −228,6 dBJ/K) Um den Alarmierungsbereich von ca.50 km f u¨ r Seenotfunkbojen auf einen ganzen Ozean zu erweitern, mussten neue Wege beschritten werden. Eine L¨osung sah Dr. Walter Goebel, DFVLR (heute DLR) auf Grund der geringen zu u¨ bertragenden Informationsmenge. Er mache sich zunutze, dass die Summe zweier koh¨arenter Signale die doppelte Signalleistung erzielt, die Summe zweier unabh¨angiger Rausch√ prozesse aber nur eine um 2 gr¨ossere Rauschleistung ergibt. Ein n-maliges Auf√ addieren bewirkt eine Rauschpegelerh¨ohung um n, das Signal selbst wird aber auf ein n-faches verst¨arkt, das Signal/Rauschverh¨altnis wird verbessert. Eine wichtige Forderung bei der Signalsuperposition ist, dass die Abtastwerte phasenrichtig addiert werden, die superponierten Botschaften m¨ussen Bit f u¨ r Bit aufeinander passen.Dann w¨achst nach einigen Superpositionen das Signal aus dem Rauschen heraus. Wie funktioniert das, wenn weder Bit- noch Rahmensynchronisation stattgefunden haben? Die Botschaft wird in einem Datenrahmen bekannter L¨ange gesendet. Wenn der Speicher genau soviel Pl¨atze hat wie der Rahmen Bit, beginnt man zur Synchronisierung nach Durchlaufen des Superpositionsspeichers immer wieder von vorne. Der Anfang des Datenrahmens wird erst nach Abschluss der Signalverbesserung ermittelt. Damit die Rahmenl¨angen am Sende- und Empfangsort exakt gleich sind, muss der Bittakt auf beiden Seiten u¨ bereinstimmen. Die maximal m¨ogliche ¨ Uberlagerungszeit T ist: A T= R(S1 + S2 ) wobei A der zul¨assige Synchronisationsfehler als Bruchteil eines Bit (z.B. 0,1 bzw. 10%), R die Bitrate und S1, S2 die sende- und empfangsseitigen Frequenzungenauigkeiten sind. ¨ F¨ur R = 32 bit/s und S1 = S2 = 2 10−6 erh¨alt man eine maximale Uberlagerungszeit von 13 min. Bei einer typischen Rahmenl¨ange von 160 Bit k¨onnen etwa 150 Rahmen addiert werden.Bei 128 Superpositionen betr¨agt die Verbesserung in praxi ca. 10 dB. Abbildung 9.2 zeigt Oszilloskopbilder der Verbesserung im Superpositionsspeicher. Eine weitere, a¨ usserst n¨utzliche Eigenschaft dieses Prinzips ist im Falle eines fadingbehafteten Signals die Einebnung der Pegelschwankungen; der Ausfall einiger Frames, w¨ahrend der Signalpfad von der hinter einer grossen Welle schwimmenden ¨ Boje unterbrochen ist, hat keine Auswirkung. Aus einer Ubertragungsstrecke mit Rayleigh-Charakteristik wird eine Gauss-Verteilung.

9.6 Der Seenotfunk

325

a) reines Rauschen

b)Rauschen und Signal

c) Rauschen und Signal, n = 2

d) Rauschen und Signal, n = 4

e) Rauschen und Signal, n = 8

f) Rauschen und Signal, n = 16

¨ Abb. 9.2 Verbesserung eines FSK-Signales durch wiederholte Uberlagerung

Die ITU hat die in Tabelle 9.5 gezeigte Spezifikation f u¨ r die Sendeeinrichtung empfohlen. Die Parity-Bits wurden von 18 auf 40 erh¨oht, um die bew¨ahrte Kanalcodierung noch effektiver zu nutzen. Es handelt sich dabei um eine spezielle Verwendung: Sie wird nicht nur zur Fehlerkorrektur benutzt, sondern steuert die Zahl der notwendigen Superpositionen.Sobald ein Codewort gefunden wird,werden die Superpositionen beendet. Die Wahrscheinlichkeit, dass die (140, 100,5-BCH-codierte) 100 Bit-Botschaft fehlerhaft ist (trotz Korrektur von bis zu 5 Bitfehlern ein falsches Codewort angegeben wird), ist 1:100 000 – eine hinreichend hohe Sicherheit. Die endg¨ultige Einf u¨ hrung des Systems erfolgte 1990 im INMARSAT-System. Seitdem hat die Boje mitgeholfen, zahlreiche Menschenleben zu retten. ¨ Uber die Anwendung in der Seefahrt hinaus er¨offnet das Verfahren auch ¨ M¨oglichkeiten bei anderen schwierigen (zivilen oder milit¨arischen) Ubertragungen, die mit herk¨ommlichen Methoden nicht zu meistern sind; es ist unabh¨angig von ¨ ¨ der Ubertragungsfrequenz und vom Ubertragungsmedium. Modulation; Modulationsrate Sendefrequenz, Polarisation Frequenzhub Genauigkeit der Taktfrequenz Sendeleistung, Antennengewinn, EIRP Genauigkeit der Sendefrequenz

Nichtkoh¨arentes bin¨ares FSK; 3 Baud 1645,5 bis 1646,5 MHz, rechtsdrehend (RHC) −120 Hz f u¨ r „NULL“ und +120 Hz f u¨ r „EINS“ besser als 1 10−6 1 W oder 0 dBW; 0 dBi; 0 dBW long term ±3 10−6 ; short term 10−8 f u¨ r 1 min

326

9 Der klassische Satellitenmobilfunk

Code; Rahmenl¨ange

NRZ; 160 Bit, davon 100 Nutz-Bit, 20 Synchronisier-Bit, 40 FEC-Bit (BCH 140,100,5)

9.7 Satellitengestuzte Positionsbestimmung 9.7.1 EUTELTRACS ¨ Die EUTELSAT bietet in Europa EUTELTRACS-Ortung an. Uber zwei geostation¨are Satelliten werden (im Ku-Band) bandgespreizte Signale zum Vehikel abgesetzt und ¨ dort frequenzkonvertiert zur¨uckgeschickt. Uber die Zweiweglaufzeit der Signale und mit der a priori Kenntnis „Vehikel ist auf der n¨ordlichen Halbkugel“ kann der Standort grob geortet werden. Im Fahrzeug ist ein aktiver Transponder, der das f u¨ r dieses Fahrzeug bestimmte Signal erkennt (es sehen alle Fahrzeuge alle Hochfrequenzsignale). Den Outbound-Signalen wird an das Fahrzeug gerichtete Information aufmoduliert, und das Fahrzeug kann Inbound-Information absetzen. SeaStar ist ein paneurop¨aischer Ortungsdienst auf der Basis EUTELTRACS. Der Betreiber (Fugro Starfix AS, Oslo) verspricht die Positionierung des Teilnehmers mit Genauigkeiten besser als 5 m (Ungenauigkeiten kleiner als 5 m) und verdient damit ca. 1 Mrd Euro p.a. 9.7.2 OMNITRACS Das OMNITRACS in den USA funktioniert (mit zwei geostation¨aren Satelliten u¨ ber Four Way Ranging mit aktiven Transpondern im Vehikel) wie das oben beschriebene EUTELTRACS-System (das von OMNITRACS gebaut wurde). 9.7.3 STARFIX Das STARFIX (der Fa. Racal) besteht urspr¨unglich aus C-Band Transpondern auf drei um 20◦ bis 30◦ separierten GEO-Satelliten in den USA, u¨ ber die (`a la EUTELTRACS) trianguliert wird. Hierzu wird ein bandgespreiztes Signal mit 150 bit Daten verwendet. Diese Daten beinhalten u.a. GPS Differential-Information. Durch die Vermessung von mehreren Referenzstationen werden Genauigkeiten bis in den 5 m-Bereich erzielt. Die Positionsermittlung erfolgt (wie bei EUTELTRACS) in der zentralen Bodenstation. Heute wird das STARFIX-Signal auch u¨ ber INMARSAT L-Band weltweit ausgestrahlt, so dass Nutzer mit einem GPS-Empf¨anger und der STARFIX-Differentialinformation a¨ hnliche Genauigkeit erreicht, ohne u¨ ber die STARFIX C-Band-Transponder gehen zu m¨ussen. 9.7.4 COLOS Mit dem „COmmunications and LOcalization System f¨ur on-line fleet management“ bot die DeTeMobil einen kosteneffizienten Duplex-Datendienst mit Ortung an. Die

9.7 Satellitengest¨uzte Positionsbestimmung

327

Daten¨ubertragung erfolgt u¨ ber INMARSAT-C, die Ortung mit GPS. Dem Nutzer wurde die Position seiner Vehikel (bis zu 100) auf einem Farbbildschirm grafisch dargestellt, einschliesslich Entfernungen und Fahrtzeiten bis zum Ziel. 9.7.5 GNSS Der Verbund von GPS und GLONASS wird Global Navigation Satellite System-1 (GNSS1) genannt,obwohl es die zweite Generation satellitengest¨utzte Ortung (nach Transit & Chaika) ist.Auch ist es kein Navigationssystem (Ortung plus Informatik), sondern liefert nur Ortung, und dies mit m¨assiger Genauigkeit und Verf u¨ gbarkeit und bei GPS zum Teil nicht garantierter Integrit¨at. Zur Erh¨ohung der Integrit¨at bauen die USA das Wide Area Augmentation System (WAAS), Europa den European Geostationary Navigation Overlay Service (EGNOS) und Japan das MTSAT auf, alles GEOs. F¨ur WAAS verlangte die Regierung der USA mindestens zw¨olf geostation¨are Satelliten u¨ ber den USA allein, und f u¨ r EGNOS sah man mindestens vier geostation¨are Nutzlasten auf den INMARSAT-Satelliten Atlantik West, -Ost und Indischer Ozean vor (s. INMARSAT) plus eine ReserveNutzlast auf Artemis. Trotz WAAS und EGNOS ist GNSS-1 nicht geeignet, Flugzeuglandungen besser als der Category-16 zu unterst¨utzen. 9.7.6 Galileo Die n¨achste Generation GNSS, die europ¨aische Initiative Galileo, ist ein Satellitensystem mit neuen Qualit¨aten in Integrit¨at (dennoch ist auch GPS-IIF nicht fu¨ r Landungen der Kategorien 2 und 3 tauglich). Merkmale des Galileo – ein Markt von 100 Mrd. Euro p.a. in 2006, mit 40 000 Arbeitspl¨atzen in Europa – sind folgende: – es ist von Europa initiiert, die europ¨aische Industrie hat Anteil am System, – es wird von einer internationalen, zivilen Betreibergesellschaft betrieben und bringt vor allem Rechtsverbindlichkeit (Leistungseinklagbarkeit,Justitiabilit¨at), – es darf von den USA abgeschaltet (zur Unbrauchbarkeit gest¨ort) werden, wann immer die USA dies f u¨ r ihre nationale Sicherheit (National Security) als notwendig erachten7 . 9.7.7 GPS In USA wird die Generation GNSS-2 weiterhin das GPS-System der Milit¨ars beinhalten, mit GPS IIR-M ab 2005, GPS IIF ab 2008 und GPS III ab 2012.

6 7

CAT 1 = Pr¨azisionsanflug mit > 67 m Entscheidungsh¨ohe und > 500 m Landebahnsicht Die Leistungseinklagbarkeit ist nicht gekl¨art f¨ur den Fall des durch die USA zur Unbrauchbarkeit gest¨orten Betriebs

328

9 Der klassische Satellitenmobilfunk

GPS IIR-M Die acht Satelliten der Serie GPS IIR-M (von Lockheed Martin) werden seit 2005 in Dienst gebracht (der GPS 2R-14 ist schon im Betrieb), mit 1. einer hochb¨undelnden Antenne f u¨ r deutliche h¨ohere abgestrahlte Leistung (+30 dB) 2. zwei zus¨atzlichen milit¨arischen Signalen 3. zwei zivilen Frequenzen bei L1 C und L2 C („C“ f u¨ r „Civil“) 4. mit 30 bis 33 Satelliten in der 5. optimalen Anzahl von Bahnebenen (drei statt sechs) 6. verst¨arkte Chiffrierung 7. Anti Jamming Capabilities 8. Information zur System-Integrit¨at 9. Inter-Satelliten-Links f u¨ r wirtschaftlicheren Raumbetrieb 10. Verbesserte Performance, keine k¨unstliche Verschlechterung und verl¨angerte Lebensdauer der Satelliten. GPS IIF Ab 2008 sollen 12 GPS II-F Satelliten (von Boeing gebaut) unter anderem ein drittes ziviles Signal, das L5, abstrahlen.

9.8 Zusammenfassung Der klassische Mobilfunk INMARSAT bietet mit MARISAT seit 1976 Sprachund Datendienste auf globaler Basis an. Weltweite Positionsbestimmung und -meldung f u¨ r Sendungsbegleitung und Diebstahlverfolgung ist seitdem wirtschaftlich m¨oglich. Eine Reihe von Satellitensystemen bieten sich f u¨ r die Ortung an – zu unterschiedlichen Kosten. Die meisten eignen sich f u¨ r grobe Ortung. In allen F¨allen kann die Objektposition mit GNSS oder anderen Verfahren bestimmt und u¨ ber das Messaging System der Zentrale gemeldet werden. Verkehrstelematik, die Kommunikation, Informatik und Ortung im Verkehr, sind von h¨ochster Relevanz f u¨ r die europ¨aische Wirtschaft. Der Verbund von Verkehrstelematik mit -beobachtung bietet neue M¨oglichkeiten im Bereich der essentiellen Mobilit¨at und er¨offnet eine Serie von synergetischen Spinoffs: Im Verbund mit Vehikelobservation f u¨ hrt es zu Communications, Navigation, and Surveillance (CNS). Die INMARSAT Kommunikation ist weltweit verf u¨ gbar – auch im S¨udpazifik – mit hohen Bitraten in kleinste Terminals, zu erschwinglichen Preisen.

Literaturhinweise

329

Literaturhinweise via inmarsat, Broadband for a mobile planet, monatlich erscheinende Brosch¨ure der INMARSAT, London Move-IT Magazine, Subscription Department, 1379 High Road, London N209LP, UK Pers¨onliche Kommunikation mit Hr. OTL a.D. Dipl.-Ing. Dieter H¨aupler, M¨unchen, zur Sicherheitspolitik Via INMARSAT,„The World of Mobile Satellite Communications“; monatliche Brosch¨ure der INMARSAT, London

10 Personal Communications Services

„Phones for People, not for Places1“ Die technische Kommunikation entwickelte sich weg vom Telefon auf dem Schreibtisch, hin zum Handy, und dieses entwickelt sich zum Breitbandger¨at, in UMTS und G4.

Abb. 10.1 Die Dom¨anen von der Home-Cell bis zur Global-Cell

Der Mobilfunk konkurriert heute bis in die Home Cell mit drahtgebundener Kommunikation – viele Nutzer haben nur noch ein Telefon, das Handy; es funktioniert weltweit – u¨ ber das Handy k¨onnen auch Partner auf hoher See erreicht werden, mit der entsprechenden Vorwahl der INMARSAT. 1

das Telefon f¨ur den Menschen, nicht den Schreibtisch

332

10 Personal Communications Services

Neben der Mobilkommunikation via Satellit ist die ortsfeste Satellitenkommunikation weit verbreitet, nicht nur interkontinental, sondern bis hin zur Last Mile2 , der Anbindung des Teilnehmerendanschlusses an das n¨achstgelegene Vermittlungsamt. F¨ur die Last Mile und f u¨ r regionale Verbindungen w¨aren auch stratosph¨arische Relays (High Altitude Platforms; HAPs) geeignet. Die Entwicklung des Mobilfunks f u¨ hrte zu Personal Communications Services (PCS) in PCNetworks und zu Universal Mobile Telecommunications Ser¨ vices (UMTS). Uberall auf der Welt funktioniert das Satelliten-Handy mit der pers¨onlichen Nummer. Es k¨onnen Gespr¨ache mit anderen Handys gef u¨ hrt werden, und das PCN ist mit den weltweit ortsfesten Telefonen (ca. eine Milliarde) der o¨ ffentlichen W¨ahlnetze verbunden. Am Monatsende erh¨alt man eine (detaillierte und erschwingliche) Abrechnung. UMTS beinhaltet Sprache, Text, Daten und Bildmaterial bei flexiblen Bitraten, und E-Mail, Messaging und Positionsbestimmung. Der Privatverbraucher nutzt das Handy f u¨ r seine Gespr¨ache im Beruf, in der Freizeit, im Fernurlaub. Der Gesch¨aftsmann erh¨alt fl¨achendeckenden Telefondienst steter Erreichbarkeit, mit weltweiter Anrufumleitung, Anrufbeantworter und gleich bleibender Dienstg¨ute. Und die einschl¨agige Industrie erh¨alt einen Massenmarkt f u¨ r Digitaltechnik nie da gewesenen Ausmasses, zukunftstr¨achtige Technologien und nicht durch Landesgrenzen eingeengte Absatzm¨arkte. In verschiedenen Konstellationen bilden sich die Anwendungen wie z.B. – Small GEOs f u¨ r Daten-Dienste und Device Communications, – Super GEOs f u¨ r UMTS direkt zum Handy, aber auch zum Notebook und PC, – Mega GEOs f u¨ r Breitbanddienste. Die Rolle des Satelliten in globalen PCN Obwohl – oder weil – in der Vergangenheit der geostation¨are Erdg¨urtel bevorzugt wurde, weil die Bodenantennen nicht nachgef u¨ hrt werden mussten, sahen wir zu Beginn dieses Jahrtausends (in der sehr begrenzten Lebenszeit des Neuen Marktes) Kommunikationssatelliten in der tiefen Umlaufbahn (Low Earth Orbit: LEO) unmittelbar innerhalb des VanAllen-Strahleng¨urtels, der von ca. 800 bis 8 000 km reicht und den st¨orungsfreien Betrieb von Satellitenelektronik erschwert. Daneben werden auch Bahnen mittlerer H¨ohe vorgeschlagen (Medium altitude Earth Orbit: MEO) und schliesslich hochelliptische Orbits (Highly inclined Elliptical Orbits: HEO),deren Apog¨aum u¨ ber dem Zielgebiet liegt,so dass sie im Apog¨aum geostation¨ar wirken. F¨ur die niedrigen Bahnen wurden die folgenden Gr¨unde genannt: – – – – 2

kurze Signallaufzeit kleine Funkfelddispersion die S¨attigung des geostation¨aren Orbits die Vollbelegung des Frequenzspektrums Last Mile: Der Anschluss vom o¨ rtlichen Verteilerkasten zum Haus

10.1 Gr¨unde f¨ur LEOs

333

– kleine Zellendurchmesser auf der Erde, grosse Wiederwerwendung des Frequenzspektrums – grosse Erhebungswinkel insb.im urbanen Bereich oder bei h¨oheren Frequenzen – geringere Satellitenkosten – reduzierte Einschusskosten – verringerte Gefahr der St¨orung oder des (nuklearen) Abschusses

10.1 Grunde fur LEOs 10.1.1 Signallaufzeit Zum GEO und zur¨uck braucht das Signal ca. 240 ms (die Laufzeit des Lichtes u¨ ber 2 mal 36 000 km, abh¨angig von der Nutzerelevation). Im LEO ist diese Laufzeit (25 ms bei 800 km Flugh¨ohe) vernachl¨assigbar; wenn der LEO jedoch mit 60 ms Framenl¨ange arbeitet und die Signale bordseitig verarbeitet und vermittelt und ¨ dazu z.B. 90 ms ben¨otigt, liegt er sp¨atestens bei einer Satellit-Satellit-Ubertragung (mit 259 ms) schlechter als der GEO (mit seinen 240 ms). 10.1.2 Funkfelddispersion Auf dem Weg vom GEO wird das Signal um z.B. 200 dB geschw¨acht. F¨ur den Empfang werden gr¨ossere Parabolspiegel ben¨otigt. Der Trend der Zeit verlangt aber das Handy. Der Empfang von Satelliten im LEO (z.B. 700 km bis 1 400 km statt 36 000 km) d¨ampft das gleiche Signal um 34 dB. Dieser Faktor ist notwendig, um den Empfang mit dem Handy zu erm¨oglichen; hilft die niedrigere Flugh¨ohe wirklich? Es gibt mindestens drei Beweisf u¨ hrungen: Der physikalische Beweis: Nach dem Energieerhaltungssatz ist die Empfangsleistung in einer gegebenen Fl¨ache am Boden und gegebener Sendefrequenz unabh¨angig von der Entfernung der Funkquelle. Die Gesamtenergie eines Systems kann durch Prozesse, die ausschliesslich innerhalb des betrachteten Systems stattfinden, nicht ver¨andert werden. Es ist nicht m¨oglich, in einem abgeschlossenen System Energie zu erzeugen oder zu vernichten. Dies ist auch der erste Hauptsatz der W¨armelehre. Der ingenieurswissenschaftliche Beweis: F¨ur einen Vergleich auf Systemebene variiert man einen Parameter (hier die Flugh¨ohe), beobachtet einen zweiten (die Empfangsleistung) und h¨alt alle anderen konstant (Frequenz, Satellitensendeleistung, die Bedeckung auf der Erde), sonst l¨asst sich die Auswirkung nicht zuordnen (s. Abb. 10.2). Die am Boden empfangene Leistungsflussdichte W als Funktion der Sendeleistung P und dem Antennengewinn G ist durch Wgeo = P Ggeo /PLgeo und Wleo =

334

10 Personal Communications Services

Abb. 10.2 Die Bedeckung einer Zelle D aus unterschiedlichen Flugh¨ohen d

P Gleo /PLleo gegeben. Das Verh¨altnis der Dispersionen PL(d) ist   4··dgeo ·f 2 2 dgeo PLgeo c =  2 = 2 PLleo dleo 4··dleo ·f c

¨ Das Verh¨altnis der Antennengewinne G als Funktion der Offnungswinkel  ist Ggeo = Gleo Damit wird:

2 700 2 geo 2 700 2 leo

=

2 leo 2 geo

Wgeo Ggeo · P · Lleo  2 · d2 = = 2leo leo 2 Wleo P · Lgeo · Gleo geo · dgeo

F¨ur den Satellitenantennen¨offnungswinkel  gilt: tan

D   = 2 = 2 d 2

(der Tangens als Reihe ist:  1 3 5 7 = + + + + ..., 2 2 24 240 2 400 und die Glieder h¨oherer Ordnung k¨onnen f u¨ r  < vy vernachl¨assigt werden). Damit gilt d  = const.; also tan

dgeo geo = dleo leo, so dass Wgeo = Wleo, q.e.d.  F¨ur eine gegebene Bedeckung ist die Empfangsleistung am Boden bzw. die vom Boden zu sendende Leistung unabh¨angig von der Flugh¨ohe der Gegenstelle.

10.1 Gr¨unde f¨ur LEOs

335

Die ,,Farbenleere\ Wenn man eine Dose Farbe in ein Kuchenblech leert, ist die resultierende Farbschichtdicke im Kuchenblech unabh¨angig von der H¨ohe, aus der man die Dose „leert“. Man ersetzt nun den Farbfl¨ussigkeitsfluss durch die elektromagnetische Flussdichte und hat eine einfach verst¨andliche Interpretation des Energieerhaltungssatzes. 10.1.3 Sattigung des geostationaren Orbits Es wird zunehmend schwierig, im geostation¨aren Erdg¨urtel (GEO) Orbitalpositionen zu bekommen; Bahnen (statt Positionen) seien in LEO, MEO und HEO (insgesamt Non Geo-Stationary Orbits; NGSO) noch frei. Dies stimmt nat¨urlich nicht; nicht nur NGSOs m¨ussen auch koordiniert werden, sondern ihre Koordinierung ist ungleich schwieriger, als die f u¨ r einen GEO, und sie m¨ussen insbesondere auch mit GEOs koordiniert werden, gegen¨uber denen sie nachrangig sind (es gilt „Terrestrische Dienste vor GEO, GEO vor NGSO3“). 10.1.4 Sattigung des Frequenzspektrums Auf der WRC’924 in Torremolinos wurden den NGSO Systemen Frequenzen zugeteilt; man unterschied in Little LEO und Big LEO. Den Little LEO wurden die kleinen Datenraten (Data only) bei den niedrigeren Frequenzen im UHF-Bereich zugewiesen – ein Dienst, den sie seit Beginn der 60er-Jahre bedient haben5 . Die Big LEOs (Voice Services) sollten Ende der 90er-Jahre fliegen. Sie erhielten Zuteilungen im L-Band (Tabelle 10.1); hierzu mussten in Europa viele Richtfunkstrecken auf das Ka-Band umger¨ustet werden. Drittens gibt es Mega-LEOs, die bei 20/30 GHz (mit 500 MHz Bandbreite) und im 40/50 GHz Bereich arbeiten; die drei Kategorien sind f u¨ r die folgenden Dienste: Little-LEO Big-LEO Mega-LEO GEO Super GEOS

Daten, Non-Voice Services Voice Services plus Daten Multimediale Dienste mit Mbit/s Daten, Voice Services, Multimediale Dienste, TV Betrieb des Handys f u¨ r den Sprechverkehr

Es ist leicht ersichtlich, dass diese kHz- und maximal MHz-breiten Frequenzzuweisungen f u¨ r NGSO keine Alternative f u¨ r die GHz-breiten Zuweisungen in den ortsfesten Satellitendiensten darstellen.

3 4 5

NGSO = Non Geo-Stationay Orbits, Satelliten in umlaufenden, meist niedrigen Bahnen World Radio Conference 1992 Am 12.12.1961 wurde der erste LEO, OSCAR (Orbital Satellite Carrying Amateur Radio) gestartet

336

10 Personal Communications Services Tabelle 10.1 Frequenzzuweisungen

Little LEO

VHF UHF

Big LEO

L

Mega LEO

L Ku Ka Ke C

GEO

137,00-138,00 MHz Down, 148,00-150,00 MHz Up 387,00-390,00 MHz Down, 312,00-315,00 MHz Up 399,00-400,05 MHz Down, 440,15-441,00 MHz Up und 454,00460,00 MHz 1610,0–1626,5 MHz, davon 5,15 MHz f¨ur TDMA/FDMA Up & Down und 11,35 MHz f¨ur CDMA/FDMA-Systeme (sollte nur ein einziges CDMA-System realisiert werden, reduziert sich die CDMA/FDMA-Zuteilung auf 8,25 MHz), 2483,50-2500,0 MHz Up, was so seit 2004 von der FCC verf¨ugt worden ist 1,5 GHz Down; 1,6 GHz Up 11 GHz Down, 14 GHz Up 20 GHz Down; 30 GHz Up 40 GHz Down; 50 GHz Up 4 GHz Down; 6 GHz Up, sonst wie Mega LEOs

10.1.5 Zellendurchmesser auf der Erde Der Zellendurchmesser im geostation¨aren INMARSAT-4 oder im Thuraya System ist mit circa 1 000 km auf der Erde in der gleichen Gr¨ossenordnung wie der von IRIDIUM und GLOBALSTAR; man setzt bei den h¨oher fliegenden Satelliten einfach geeignete Antennen ein, wie sie seit 1973 (NASA; ATS-6) und den 80er Jahren (MBB, Dr. Dietrich K¨olle/Hans Kellermeier) entwickelt wurden. Der Satellitenantennen¨offnungswinkel ist  = 20,7◦/(dant fGHz ),

d = Antennendurchmesser in m,

f = Frequenz in GHz.

Der Durchmesser der Zelle auf der Erde ist Dcell = 72 000 tan(/2) in km. F¨ur  < 3◦ gilt n¨aherungsweise (dant in m, lat = n¨ordliche oder s¨udliche Breite): Dcell = 13 200/(dantfGHz cos(lat)) in km.  Der Durchmesser einer Zelle ist invers proportional zum Durchmesser der Satellitenantenne und der Arbeitsfrequenz. Umgekehrt gilt dant = 133 000/(DcellfGHz cos(lat)) in m. Beispiel: d = 13 m, f = 1,5 GHz; dann Dcell = 13 000 / (1,3 1,5) = 660 km auf der Erde (lat ≈ 0). 10.1.6 Erhebungswinkel im urbanen Bereich, bei ho heren Frequenzen Die Elevation " zu LEOs ist gr¨osser (z.B. > 40◦ in Deutschland) und die Verbindung dadurch ungest¨orter als die Strecken zum GEO (" in Deutschland ca. 20◦ ). Die

10.1 Gr¨unde f¨ur LEOs

337

Schr¨agentfernung x bei Elevationg" und H¨ohe h des Regens ist (Ro = Erdradius, 6 378 135 m)  x = −R0 · sin (") + R20 · sin2 (") + 2 · R0 · h + h2 (10.1) Wenn die effektive H¨ohe der Regend¨ampfung z.B. h = 5 km betr¨agt, dann ist die Strecke x durch den Regen bei " = 20◦ Elevation ca. 15 km, 10 km mehr als h (s. Abb. 10.3). Die um 10 km l¨angere Wegstrecke durch den Regen verursacht bei 40/50 GHz eine Zusatzd¨ampfung von z.B. 3 dB/km (s. Abb. 4.7 und 4.8), also 30 dB. ¨ Eine Ubertragungsreserve von 30 dB kann im Satelliten nicht einfach durch Sendeleistung vorgehalten werden.Hier ist es sinnvoll,mit Erhebungswinkeln zwischen 40◦ und 90◦ u¨ ber dem Versorgungsgebiet zu fliegen. Dies kann mit Loopus-Bahnen (s. Kap. 2; drei Satelliten pro Loop) oder IGSOs erfolgen, nicht aber zuverl¨assig mit LEOs, weil die nur f u¨ r kurze Zeit wirklich lotrecht u¨ ber dem Nutzer stehen und dann wieder untergehen.

h Regenhöhe r

x Erdradius Ro

Abb. 10.3 Vertikal- und Schr¨agentfernung durch den Regen (schematisch, nicht masstabsgetreu)

10.1.7 Satellitenkosten Die Kosten von LEOs seien weit niedriger, weil sie weit niedriger fliegen und weit weniger Bandbreite anbieten. Es ist richtig, dass sie niedrig fliegen und betriebsun¨ wirtschaftlich wenig Ubertragungskapazit¨ at und damit Bandbreite anbieten. Dennoch kosten sie nicht weniger. Iridum und GlobalStar kosteten zwischen 25 und 40 Mio $ pro Satellit, mit 5 bis 20 MHz Bandbreite. Ein GEO wie der HS373 ¨ kostet 35 Mio $ mit 1 GHz an Ubertragungsbandbreite. ¨ LEOs sind deutlich teurer pro Ubertragungskapazit¨ at in MHz und Sendeleistung in W. 10.1.8 Einschusskosten Der Einschuss in den LEO w¨urde 36 000/1 400 = 25 mal weniger kosten als in den GEO. Das stimmt nicht; erstens entstehen 50% der Startkosten in den ersten 10 km Flugh¨ohe; selbst wenn die Kosten von da ab zu LEO und GEO linear w¨aren, w¨are der GEO nur 12 mal aufwendiger; zweitens sind die Gesamtkosten f u¨ r z.B. 66 Satelliten dann um den Faktor (66 1)(3 12) = 2 mal h¨oher als f u¨ r 3 GEOs – ganz zu schweigen von Konstellationen mit 288 oder gar 840 LEOs.

338

10 Personal Communications Services

Abb. 10.4 Die Satellitengesamtmasse (unbetankt) gegen die Nutzlastmasse

10.1.9 Gefahr der Sto rung und Zersto rung Die grunds¨atzliche Idee war, dass eine Konstellation von sehr vielen Satelliten die St¨orung und den Abschuss einzelner Satelliten „¨uberleben“ wird, im Gegensatz zu einem geostation¨aren Satelliten, der, wenn er gest¨ort oder abgeschossen wird, eine ganze Hemisph¨are unversorgt hinterl¨asst. Eine m¨ogliche Gefahr hierbei ist, dass ein „Schurkenstaat“ mit einer Billigrakete (Skud-Klasse etc.) eine Atombombe im LEO z¨undet. Einfache Bomben mit 10–50 kt in > 100 km H¨ohe w¨urden s¨amtliche LEOs innerhalb von Wochen oder Monaten zerst¨oren. Ihre Beta-Elektronen w¨urden in diesem und benachbarten Orbits, bis zum MEO, verbleiben. Sie durchdringen die W¨ande von Satelliten und besch¨adigen Halbleiter, bis der Satellit ausf¨allt. Dies haben US und sowjetische „Experimente“ demonstriert. Die USA starteten 1962 den „Starfish“ der in 400 km H¨ohe 1,4 Megatonne z¨undete und deren Beta-Elektronen innerhalb weniger Monate u.a. Transit-, Traac-,Ariel- und TelstarSatelliten zerst¨orten (Solargeneratoren und Command Decoders) und noch bis 1970 auf LEOs sch¨adlich einwirkten. Das Potential f u¨ r den „Schurkenstaat“ liegt darin, dass er die Z¨undung als nationalen Test im Interesse der National Security des Staates deklarieren kann, wie die USA dies mit „Starfish“ getan haben.  Die Gefahr der St¨orung und Zerst¨orung eines LEO ist ungleich gr¨osser als im GEO, weil es einfacher ist, Strahlung oder Materie in den LEO zu bringen. 10.1.10 Zusammenfassung LEOs Die LEOs bieten graduierlich bedarfsangepasste Kapazit¨at, h¨ohere betriebstechnische Flexibilitat/versatilere Ausmusterung, bessere Gesamtsystemzuverl¨assigkeit und insgesamt niedrigere Kosten – so dachte man eine Zeitlang. Heute ist Er¨ n¨uchterung eingekehrt, die LEO-Kosten gingen durch die Decke, der Ubergang von einer Generation in die N¨achste ist ein ungel¨ostes Problem, und die bei den meisten LEOs nicht vorgesehene Entsorgung der Konstellationen ist ein ernsthaft nachhaltiges Problem. Eine wesentliche Gefahr besteht auch darin, dass sich der Westen von LEOs abh¨angig macht und ein „Schurkenstaat“ sie mit einer Nukleardetonation vernichtet oder sie als lukratives Ziel wirtschaftlicher Erpressung benutzt. F¨ur eine

10.2 Little LEOs

339

Nukleardetonation in ein paar hundert km H¨ohe bedarf es nur einer primitiven ¨ Atombombe und einer heute im Uberfluss vorhandenen ballistischen Rakete. Die in der Detonation freigesetzten Beta-Elektronen bev¨olkern den Erdg¨urtel bis in ein paar Tausend km H¨ohe, zerst¨oren Elektronik in Satelliten und beeintr¨achtigen die elektromagnetische Ausbreitung bei tiefen Frequenzen (UHF), weniger bei H¨ochstfrequenzen (EHF). F¨ur GEOs ist diese Gefahr nicht in B¨alde gegeben, da es grosse Raketen der Ariane-Klasse braucht, um dorthin zu kommen.

10.2 Little LEOs  Experten und Spezialisten haben die Titanik gebaut – Amateure die Arche Noah; die Radioamateure haben die Little LEOs erfunden und seit 1965 erfolgreich gebaut – seit 20 Jahren mit bordseitiger Datenspeicherung und -verarbeitung und modernen Bahnen. Little LEOs sind None Voice Non Geostationary (NGSO). Sie u¨ bertragen Daten von Ger¨aten (Device Communications). Tabelle 10.2 zeigt eine (unvollst¨andige) Reihe von Little LEOs, die sich in Betrieb und zum Teil in der Planung befinden.

Tabelle 10.2 Kommerzielle Little LEO Daten-Systeme, im Betrieb und in der Planung System 1 ARGOS 2 TAOS 3 VITA 4 FAISAT 5 STARSYS

Betreiber

Seit

Sat. masse 1978 HEO 150 kg 1988 < 1 300 km > 150 kg 1988 970 km < 100 kg

CNES, F CNES, F Uni. of VA, USA Fin.Analysis, 1999 USA GE Americom 1999

6 ORBCOMM ORBCOMM, USA 7 LEOSAT LeoSat, USA

1994 1999

8 GONETS 9 ARIES 10 LEO One

SmolSat, RUS 1992 DSI, USA 1999 Deskin, USA 2002

11 SIGNAL

RKK, RUS

12 E-SAT

E-SAT, USA

Flugh¨ohe

6 8 24

Frequenzband in MHz UHF, heute 400 MHz UHF UHF

150 kg

28

450-460↑, 400-410↓

1 300 km ≈ 150kg

24

148-150,5↑, 137-138 & 400-401↓ 148-150,5↑, 137-138 & 400↓ 148,5↑, 137,5↓, je 5 kHz UHF UHF 148-150↑, 137-137,02 & 400-401↓ UHF, L-Band und Ku-Band UHF

1 000 km

970 km

Zahl

40 kg

48

LEO ≈ 125kg

20

1 400 km LEO 950 km

122 kg 125 kg

36 48 48

1999

LEO

310 kg

48

2001

LEO ≈ 100kg

36

340

10 Personal Communications Services

Alle Systeme arbeiten mit „Speichern und Weiterleiten“ (Store & Foreward) Datendiensten; keines hat Intersatellitenverbindungen (Inter Satellite Links). Die Bitdaten reichen bis 9,6 kbit/s. Da die Daten in Einzelpakete von 160 oder 200 Bytes gepackt und im Satelliten zwischengespeichert werden, eignen sich Little LEOs nicht f u¨ r Sprach¨ubertragung. Der Zugriff auf das System l¨auft typischerweise wie folgt ab: Dynamic Channel Activity Assignment (DCAAS) 1 der Satellit sendet auf dem Kontrollkanal (Control Channel) den Transponderstatus 2 das Terminal sendet einen Request mit Registration Information (RegInfo) 3 der Satellit best¨atigt den Request und teilt eine Frequenz zu 4 das Terminal setzt auf dieser Frequenz seine Message ab (in z.B. 160 Bytes gepackt) 5 der Satellit sendet Message und RegInfo zum n¨achst gelegenen Gateway 6 dieser leitet Message & RegInfo u¨ ber das Backbone Network zum Home Gateway 7 dieser aktualisiert sein Register Log und sendet die Message zum Ziel Gateway 8 der Ziel Gateway u¨ bermittelt die Message u¨ ber das PSTN oder Internet zur Zieladresse. 10.2.1 ARGOS Das Gemeinschaftsprojekt von USA und Frankreich ARGOS begann 1978. Auf den Wettersatelliten der NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) und den Seenotfunksatelliten SARSAT der NASA wurde eine Little LEO-Nutzlast mit geflogen. Der franz¨osische Partner ist die Raumfahrtbeh¨orde CNES, Systembetreiber die Fa. CLS (Toulouse). ARGOS ist ein Kommunikationssystem im Wettbewerb, mit weltweiter Bedeckung. Es bedient u.a. europ¨aische Grosskunden, die Container transportieren und sie u¨ ber ARGOS „fleet managen“. Die Container-Terminals beinhalten GPS-Empf¨anger, ARGOS-Sender, Stromversorgung und Antenne. Die Systemkapazit¨at reicht f u¨ r eine Flotte von 8 Mio Einheiten aus. Ein ARGOS-Datenterminal kostet ca. 300,00 €, die monatliche Grundgeb¨uhr ¨ 25,00 € und die Ubertragungsgeb¨ uhr z.B. 100,00 €. Die Satellitendaten werden in Toulouse empfangen und gespeichert und m¨ussen vom Nutzer u¨ ber Datenleitungen von dort abgerufen werden. Das Terminal gibt seinen Ort auf 300 m genau an. Das ARGOS-System fusionierte mit STARSYS und ist heute aktiv in den Gebieten – – – – –

Verfolgung von Gefahrguttransporten ¨ Uberwachung von Bojen, Schiffen, Containern, Fischfangflotten Kartographierung von Meeresstr¨omen Verfolgung von Tieren, Zugv¨ogeln und a¨ hnlichen Aufgaben

10.2 Little LEOs

341

Kooperationen bestehen mit der japanischen Raumfahrtbeh¨orde NASDA und der europ¨aischen meteorologischen Satellitenorganisation EUMETSAT. Mit knapp 10 000 Terminals im Betrieb weltweit ist ARGOS in der globalen Umweltbeobachtung f u¨ hrend6 . 10.2.2 STARSYS Dieses globale Kommunikations- und Ortungssystem mit 24 LEOs der Fa.GE STARSYS Inc. (USA), einer Tochter von GE American Communications (GE AMERICOM), fliegt auf 1 300 km Bahnen. Es soll 25 Millionen Nutzer allein in den USA bedienen, mit Handys f u¨ r 50,00 €. Das Gesamtsystem soll 175 Mio € kosten. Das Little Leo System verwendet die Frequenzen: 137,0–138,0 MHz 148,0–149,0 MHz 150,025 MHz 400,620 MHz

vom Satelliten zur Erdfunkstelle, vom mobilen Terminal zum Satelliten, von der Erdfunkstelle zur¨uck zum Satelliten und vom Satelliten zum mobilen Terminal.

¨ Die Ubertragung ist CDMA Inbound und Single Carrier Outbound. Das Handy ben¨otigt 2 W Sendeleistung; die durchschnittliche Nachrichtenl¨ange ist 100 ms. Die Dienste beinhalten insb. 2-Way Remote Positioning und Messaging von Funketiketten/Informationssystemen im G¨uterverkehr/Sendungsverfolgung/Diebstahlverh¨utung. Zus¨atzlich bietet STARSYS Lokalisierung mit 100 m Genauigkeit an. Diensteanbieter war anfangs sowohl ORBCOMM (mit der Fa. Hughes) als auch ARGOS (die CNES). Die eigenen STARSYS-Satelliten werden von Alcatel in Frankreich gebaut. 10.2.3 VITA Die Kleinsatelliten der Volunteers In Technical Assistance fliegen seit Jahren und dienen mit Store and Forward mit Informationen im Gesundheitswesen.VITA ist eine Non Profit Organization, die Information und technische Daten zu mehr als 5 000 ¨ freiwilligen Mitarbeitern in Entwicklungsl¨andern, Arzten und Helfern in Gegenden unzureichender Infrastruktur verteilt und Nachfragen und Versorgungsbestellungen zur¨uck u¨ bermittelt. Die University of Virginia in Blacksburg (USA) baut die Terminals; die Satelliten kommen von International Technologies Inc. und sind eine Weiterentwicklung des AMSAT der Amateur Satellite Corp., die seit Anfang der 80er Jahre Satellitenkommunikation betreibt. Zweimal t¨aglich fliegt ein Satellit und ¨ empf¨angt in den 12 min des Uberfluges bis zu 50 Seiten Text und Daten, die er am Bestimmungsort wieder absetzt (siehe auch GONETS). Die Federal Communications Commission (FCC, USA) hat VITA Pioneer’s Preference Status zuerkannt. F¨ur diese im Juli 1991 eingef u¨ hrte Regel muss ein System technische Innovation darstellen; dann wird es bevorzugt gegen¨uber anderen Lizenzbewerbern zugelassen. VITA war das erste LEO-System, das diesen Status erhielt (s. auch Final Analysis). 6

siehe auch www.cls.fr/html/argos/

342

10 Personal Communications Services

10.2.4 GONETS Das GONETS Russlands arbeitet im UHF-Bereich 312–315 MHz Erde-Satellit und 387–390 MHz Satellit-Erde. Es werden 300 bit/s bis einschliesslich 9,6 kbit/s per Speichern-und-Weiterleiten u¨ bermittelt, mit einem maximalen Summendurchsatz von 1,85 Gbit/d (= 1,85 109 Bit/Tag) oder 180 000 DIN A4 Seiten. Der Erstzugriff geschieht per ALOHA. F¨ur die Beschreibung des Systems siehe unter Big LEO (GONETS ist auch ein Big LEO). 10.2.5 LEO One Das System LEO One ist als ein leistungsf¨ahiges Little LEO geplant, das von 2,4 bis zu 9,6 kb/s u¨ bertr¨agt, in Rahmen von 8 bis zu 512 Bytes (oder Zeichen), die der Nachricht flexibel angepasst werden k¨onnen (im Gegensatz zu den starren 200 Bytes der SMS in GSM). Ebenso flexibel ist die Verschl¨usselung entsprechend dem gew¨unschten Geheimhaltungsgrad. Typisch f u¨ r diese S-PCS < 1 GHz ist auch das Partagieren mit anderen Satellitensystemen und insbesondere terrestrischen Diensten im Band 148–149 MHz. Hierzu tasten die Satelliten das Band alle 0,5 s ca. 5 ms lang auf freie Frequenzen ab und senden den momentanen Iststand aus. Damit schalten die MES7 auf eine freie Sendefrequenz (FDMA) mit ihrem in Slotted ¨ ALOHA abgesetzten Ubertragungsb¨ undel (TDMA); das Speichern und Weiterleiten in den (insgesamt 66) Satelliten dauert etwa eine Sekunde, in Notf¨allen Bruchteile einer Sekunde. Die Aktivit¨aten zu LEO One sind eingestellt. 10.2.6 FAISAT Das FAISAT-System der Fa. Final Analysis (USA) begann 1995 mit dem ersten Testsatelliten (scheint aber noch nicht im Wirkbetrieb zu sein). Mit der russischen COSMOS-Rakete (1t Nutzlast) soll von Plesetsk ein Septette Satelliten (`a 150 kg) in den Umlauf gebracht werden – je sechs fu¨ r den Wirkbetrieb, einer zur Reserve. Auch die Satellitenantenne wird in Russland gefertigt.Neben der Little LEO Mission fliegen die FAISATs eine Nutzlast f u¨ r die US-Luftwaffe. Final Analysis hat sich auch mit VITA zusammengeschlossen und will Transponder f u¨ r VITA auf FAISAT fliegen. Die gesamte Konstellation hat 26 Satelliten, auf 1 000 km Kreisbahnen. 24 Satelliten fliegen in 4 Bahnebenen mit 66◦ Inklination und zwei in zwei Bahnebenen mit 83◦ Inklination zur Abdeckung der extrem n¨ordlichen bzw. s¨udlichen Breiten. FAISAT kann Daten sofort zur¨ucksenden oder speichern f u¨ r den sp¨ateren Abruf. Hierzu wird ein 130 MByte (RISC6000) pro¨ grammierbarer Prozessor an Bord verwendet. Die Ubermittlungsgeb¨ uhr betr¨agt 0,15 € pro Nachricht. FAISAT scheint derzeit nicht weiter verfolgt zu werden. 10.2.7 TEMISAT Die italienische Betreiberfirma TELESPAZIO SpA beabsichtigte mit TEMISAT ein System von LEOs f u¨ r allgemeine Kommunikationsaufgaben einzusetzen. Die 7

MES = Mobile Earth Station (Nutzerterminals)

10.2 Little LEOs

343

Bahnh¨ohe ist 938 × 969 km mit 82,55◦ Inklination. Unter anderem werden mit diesen Satelliten Daten von Data Collection Platforms (DCP; Mini Transmit Only Terminals, die Umweltdaten sammeln) abgefragt und zur Bodenstation geleitet. Die Uplink ist 148,00–150,05 MHz, das Downlink 137–138 MHz. Der erste TEMISAT wurde 1993 von Plesetsk gestartet.Zurzeit wird das Programm nicht weiter verfolgt; TELESPAZIO hat die Vermarktung fu¨ r ORBCOMM Italien u¨ bernommen. 10.2.8 SAFIR Das Programm Satellite For Information Relay (SAFIR; OHB (D) versprach einen globalen bidirektionalen Kommunikationsdienst zu Niedrigkosten,folgendes beinhaltend ¨ – die Ubertragung von Umweltdaten von Messtationen zur Auswertestelle – Weiterleitung von globalem Notfunk (Search & Rescue) mit Priorit¨at – Verfolgung von Tierherden in freier Wildbahn f u¨ r wissenschaftliche Zwecke – Low Cost Messaging und Personenruf (Paging) – Aufdeckung gestohlener Fahrzeuge – Groblokalisierung des Nutzerterminals u¨ ber Dopplermessung – Verfolgung von Cargo und Containern – Betreuung von See- und Bergwachten und „Adventure Holiday Teilnehmern“ – Begleitung von professionellem Personal im Einsatz in entlegenen Gebieten – weltweite Verteilung von Daten, Informationen und Mehrwertdiensten. Ein Proto-Satellit wurde 1993 gestartet, der erste Wirksatellit 1994; insgesamt waren in Phase I sechs Satelliten geplant.Die Einsch¨usse erfolgten in Kasachstan,Russland, mit ukrainischen Startraketen.Der Betrieb der Satelliten erfolgte durch die Fa.OHB in Bremen. Die Eckdaten des Satelliten sind: Die Bahn: Apog¨aum 696 km,Perig¨aum 678 km,Inklination 98,04◦,Umlaufdauer 98 min. Der Bus: Masse 55 kg, elektrische Leistung 20 W, Lebensdauer 5 Jahre, Nutzlast: Bitrate ≤ 9,6 kbit/s Uplink 430 MHz, Downlink 430 und 150 MHz. Jeder Satellit befliegt Zentraleuropa, Nordamerika und Japan vier- bis sechsmal ¨ bertragung pro Tag mit einer Tageskontaktdauer von 100 min.Dies erm¨oglicht die U von bis zu 19,6 kbit/s 6 000 s = 120 Mbit bzw.15 MByte/Tag – der Informationsgehalt des Telefonbuches einer gr¨osseren Stadt. Die Gesamtkontaktdauer ist das Produkt der Tageskontaktdauer mit der Anzahl der Satelliten. F¨ur das Absetzen der Daten u¨ ber dem Zielgebiet gibt es drei M¨oglichkeiten: (1) der Sender sagt dem Satelliten im Adressteil, wo die Daten abzusetzen sind, (2) der Empf¨anger schaut im „elektronischen Briefkasten“ im Satelliten nach, ob etwas f u¨ r ihn da ist und holt es sich herunter, und (3) f u¨ r jeden Teilnehmer ist im Satelliten fest programmiert,wo die Daten abgesetzt werden sollen, und der Satellit sendet sie dort automatisch ab. SAFIR benutzt die dritte Methode; hierf u¨ r ist ein Speicher mit 2.5 MByte RAM an Bord.Das Bodenterminal ist mit einer Batterie ausger¨ustet,die den unterbrechungsfreien Betrieb u¨ ber 365 Tage ohne Aufladung gestattet. Der Target-Price f u¨ r das Terminal einschliesslich GPS-Empf¨anger, Antennen und Stromversorgung ist 300,00 €

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10 Personal Communications Services

¨ (s. ARGOS und EUMETSAT). Der Ubertragungstarif von 2,00 €/kByte kann f u¨ r Grosskunden reduziert werden. Der Kunde betreibt seine eigene Empfangsstation. Die Fa. OHB hat sich nun bei ORBCOMM beteiligt und vermarktet deren Dienste in Deutschland. Die Aufteilung zwischen den beiden Systemen ist: Die Short Messages gehen u¨ ber ORBCOMM, die umfangreicheren u¨ ber SAFIR. 10.2.9 ORBCOMM ORBCOMM ist ein globales Kommunikations- und Positionsbestimmungssystem mit 36 (sp¨ater 48) LEOs. Der Nutzer kann mit kleinen Terminals Daten u¨ bermitteln (keine Sprache) und seine Position berechnen. Hierzu nutzt er von den Satelliten abgestrahlte Signale, deren Ephemeriden aufmoduliert sind. Die Satelliten sind mit GPS-Empf¨angern ausgestattet und halten selbst¨andig ihre Bahnen. Damit ist ORBCOMM ein typischer Little LEO: Er wird prim¨ar f u¨ r Fahrzeug¨uberwachung, Flottenf u¨ hrung und Zweiweg-Informations¨ubermittlung verwendet. Der Nutzer meldet seine GPS- oder ORBCOMM-Postion an seine Zentrale. ¨ Die Ubertragungsraten sind 2,4 kbit/s bis 9,6 kbit/s, die Nachrichten ca. 100 Bytes lang. Sprach¨ubertragung ist nicht wegen der Bitrate, sondern wegen der K¨urze ¨ der Nachricht und der Ubertragungskosten nicht optimal. Das GlobalGram ist ein Dienst, bei dem im Satelliten Nachrichten gespeichert und auf Befehl des Teilnehmers (gegebenenfalls auf der anderen Seite der Erde) wieder abgesetzt werden. Das Uplink ist von 148,0 bis 150,5 MHz, das Downlink bei 137–138 MHz. Der ¨ Ubergang in o¨ ffentliche W¨ahl- und Datennetze erfolgt u¨ ber Gateways der nationalen Diensteanbieter (1998 ca. 80). Die Systemkapazit¨at betr¨agt ca. 60 000 Kurznachrichten pro Stunde.

Abb. 10.5 Architektur und Subsysteme des ORBCOMM-Satelliten (Solar Panel Deployed = Solarpaneel entfaltet, Solar Array Drive = Scharnier des Sloarpaneels, Battery = Akkumulator, Antenna Stowage Trough = Antennenunterbringung, Antenna Base Hinge = Antennangelpunkt, Sail = Segel, Metal Tape Hinges = Metalbandscharniere, Stacking Bracket = Stapelungsklammern, Thruster = Antriebsd¨usen, Solar Cells = Solarzellen)

10.2 Little LEOs

345

Die 40 kg schweren MicroStar-Satelliten werden von Orbital Sciences Corp. in Washington (USA) gebaut und mit den PEGASUS-Raketen der Fa. ORBCOMM eingeschossen, die dazu von TriStar-1011-Flugzeugen auf > 10 000 m H¨ohe gebracht werden. Der erste Start verlief am 03.04.1995 erfolgreich. Die scheibenf o¨ rmigen Satelliten (s. Abb. 10.5) sind 16 cm dick und 104 cm im Durchmesser. Das Datenterminal ben¨otigt 8 W Leistung und soll zwischen 50,- und 400,- € kosten. Die 2 400 ¨ Baud Ubertragung kostet 0,25 €,„a penny a character“. Die Lebensdauer der Satelliten betr¨agt 5 Jahre; die Flugh¨ohe ihrer Kreisbahn 775 km. In vier um 45◦ inklinierten Bahnebenen fliegen je acht gleichverteilte Satelliten; in zwei supplement¨aren, um 70◦ inklinierten Bahnebenen befinden sich je 2 Satelliten, um Teilnehmer auf extrem n¨ordlichen bzw. s¨udlichen Breitengraden zu erreichen. Schliesslich denkt man an weitere Satelliten in a¨ quatorialen Umlaufbahnen, um die Satellitendichte dort zu erh¨ohen. ORBCOMM hat im September 2000 Bankrott angemeldet; es waren 36 000 Terminals in 50 L¨andern weltweit in Betrieb, aber die Einnahmen reichten nicht aus, um die Schulden zu tilgen (wie bei IRIDIUM, GLOBALSTAR, ICO etc.). Der Betrieb wurde unter Chaper 11 fortgesetzt. 2005 hatte ORBCOMM ca. 50 000 Teilnehmer; 25% der Kapazit¨at wurde von den Streitkr¨aften der USA fest gebucht. In Deutschland ist die Fa. OHB, Bremen, Diensteanbieter f u¨ r ORBCOMM. 10.2.10 LEOSAT LEOSAT ist ein von der Fa. Leosat, USA, vorgeschlagenes Little LEO System, das aus 20 Satelliten bestehen soll, die mit Store-and-Forward weltweit Daten u¨ bertragen. Die Kleinstsatelliten sollen 50 kg wiegen; die Bahnen sind 1 000 km hoch und 42◦ inkliniert. Die Datendienste im Bereich 137 und 148 MHz (je 1 MHz) unterst¨utzen u.a. das Intelligent Vehicle Highway System (IVHS) der USA mit mobilen Terminals ¨ f u¨ r 50,- € und Ubertragung von 1,2 bis 4,8 kbit/s. Gateways reichen die Daten zu den Nutzerzentralen weiter. Der Vielfachzugriff ist Dynamic Channel Activity Assignment (DCAAS; siehe Little LEOs). 10.2.11 TUBSAT Die Serie von TUBSATs wurde von der Technischen Universit¨at Berlin als praktisches Lehrst¨uck gebaut und dient mit ihrer Kommunikationsnutzlast einer Vielfalt von Forschungszwecken bis hin zur Ornitology. Dazu werden Zugv¨ogeln Minisender angereift, deren Signale, u¨ ber TUBSAT vermittelt, von Kontrollzentren empfangen und ausgewertet werden. Die TUBSATs wurden zum Teil von der ARIANE-4 kosteng¨unstig bzw. umsonst gestartet, und mindestens einer wurde mit Hilfe der Fa. KaiserThrede in Russland gestartet. TUBSAT ist eine sehr erfolgreiche Serie von Satelliten. 10.2.12 BREMSAT ¨ Ahnlich dem TUBSAT wurde der BREMSAT von der Technischen Universit¨at Bremen gebaut und f u¨ r verschiedene Experimentalmissionen eingesetzt.

346

10 Personal Communications Services

10.2.13 LunarSAT Dieser Micro-Satellit zur Erforschung des Mondes sollte von der Technischen Universit¨at M¨unchen gebaut werden, um Bildmaterial vom S¨udpol des Mondes aufzunehmen und zur Erde zu u¨ bermitteln.

10.2.14 AMSAT Unter Little LEOs seien last but not least die Satelliten der Amateurfunker genannt. Der erste Orbital Satellite Carrying Amateur Radio (OSCAR) wurde 1961, lange vor INTELSAT etc. gestartet. Er arbeitete im 145 MHz-Band. Mit OSCAR-6 wurde 1972 erstmals bordseitige Speicherung und Weiterleitung (Store and Forward) geflogen, zwanzig Jahre vor der Nutzung dieser Technologie in der kommerziellen Welt. Die Kreisbahn war 1 450 km hoch (wie bei GlobalStar). OSCAR-13 wurde in M¨unchen-Aschheim mit dem Regenerativen Umsetzer f¨ur Digitale Amateurfunk-Kommunikation (RUDAK, Uplink 1269,71 MHz, 2,4 kb/s, Downlink 435,677 MHz, 400 b/s, beide Links BPSK) fu¨ r Packet Radio (AX.25 Protokoll) konstruiert, mit Zuarbeit der Universit¨aten Marburg und Budapest, und in vier Jahren f u¨ r 1,2 Mio € gebaut und f u¨ r 0,8 Mio € 1988 in einen HEO mit 36 000 km Apog¨aum eingebracht.

Fallbeispiel: Sendungsverfolgung von Containern F¨ur die satellitengest¨utzte Sendungsverfolgung von Containern ist ein Bi-Directional Satellite Messaging Service gefragt, der Low Cost sein soll. Was gibt es – wie funktioniert es – was kostet es? Systemanforderungen k¨onnen z.B. sein: (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9) (10)

Weltweite Verf u¨ gbarkeit, 98% der Erdoberfl¨ache Je derzeitige Verf u¨ gbarkeit, 98% der Zeit Sofortiger Dienstbeginn (nicht erst in ein paar Jahren) Allzeitige und tageszeitunabh¨angige Verf u¨ gbarkeit Wetterunabh¨angige Verf u¨ gbarkeit Positionsbestimmung mit Fehlern < 1 000 m Kommerzieller Systembetreiber mit nachweisbarer Bonit¨at Hinreichende Systemkapazit¨at f u¨ r mindestens 8,5 Mio Container pro Region Realisierbarkeit des Bi-Directional Satellite Messaging Service Wirtschaftliche Durchf u¨ hrbarkeit von Kommunikation und Navigation.

Aus den gestellten Systemanforderungen folgt, dass die L¨osung nicht von terrestrischen Infrastrukturen abh¨angig sein darf; weltweite Verf u¨ gbarkeit fordert eine Satellitenl¨osung. Hier kommen EUTELTRACS, INMARSAT, GlobalStar, IRIDIUM , Orbcom und Gonets in Betracht. Systemalternativen und ungef¨ahre Kosten sind in Tabelle 10.3 gezeigt.

10.2 Little LEOs

347

Tabelle 10.3 Etwa-Kosten und Geb¨uhren verschiedener Daten-/Ortungssysteme Satellitensystem

Terminal- Anschluss- Monatliche kosten geb¨uhr Grundgeb¨uhr [€] [€] [€]

Euteltracs

5 000,–

Keine

55,–8

INMARSAT

3 000,–9

37,–

11,–

GlobalStar11

600,–

5,–

IRIDIUM

500,–

0

Orbcomm Gonets

50,– 300,–

Nutzungs geb¨uhr [€] 0,005

5,–

von Stuttgart

0,0015/bit10 von Raisting 0,02/Byte

entf¨allt entf¨allt

5,– Keine

Terrestrisch Kosten/ Interconnect Container/ d

entf¨allt keine (!)

€ 8,00 € 4,00 € 2,90 €0 € 0,46

entf¨allt

Bewertung Wenn ein Container alle drei Stunden auf Position (auf 0,1◦ genau) und Innentemperatur (auf 1,0◦ genau) abgefragt wird, sind dies z.B. zehn Dezimalen a` 4 bit. Die Containerkennung sei zehn Zahlen, dann ist die Information 80 bit lang, nimmt also (einschl. 120 bit Pr¨aambel) drei „INMARSAT-Pakete“ (`a 50 bit) ein und kostet bei INMARSAT Standard-C 0,20 €/Abfrage bzw. 1,20 €/Tag. Das INMARSAT Standard-C-Terminal kostet 2 000,- €, das ARGOS 300,- €; die Terminaldifferenz von 1 700,- € geteilt durch die Geb¨uhrendifferenz von 4,40 € ergibt 386 Tage, dann hat sich das INMARSAT Standard-C-Terminal amortisiert. Die Wirtschaftlichkeit eines Systems kann sinnvoll nur in den Kosten pro Tag pro Container ausgedr¨uckt werden. In Tabelle 10.3 sind sie zusammengefasst, unDie Grundgeb¨uhr von € 55,- beinhaltet 12 Positionsbestimmungen pro Tag und ihre ¨ ¨ Ubertragung; zus¨atzliche Einweg-Ubertragungen kosten € 0,25 Grundgeb¨uhr plus ¨ € 0,005/Zeichen; die Ubertragung der Information „JA“ kostet € 0,26, „NEIN“ € 0,27; alle ¨ Ubertragungen m¨ussen nach oder von Stuttgart u¨ bermittelt werden (das Interconnect ca. ¨ € 0,10 pro Ubermittlung, also € 1,20 pro Tag); die Positionsbestimmung in Zentraleuropa ist ca. 250 m genau, am Rande Europas schlechter (EUTELTRACS ist kein weltweites System). 9 Deutsche Daten; evtl. liegen asiatische Hersteller tiefer, insb. wenn das INMARSAT „Standard C Terminal“ incl. Drucker und Keyboard etc. auf die hier verlangte Funktionalit¨at abgemagert wird. 10 ¨ Im INMARSAT Tracking & Position reporting Service kostet die Ubertragung von ¨ 256 bit (min. Ubertragungsvolumen) 0,37 €, also ca. € 0,07 pro Paket von 50 bit; dies gilt f¨ur Mobil -> Fest; Fest -> Mobil ist 1,00 €/kbit. 11 f¨ur die ca. 25 Bytes Positionsinformation bietet GlobalStar den Short Messaging Service an; verwendet transparente Transponder (im Gegensatz zu den paket-vermittelnden store and forward Satelliten); der Transponder gibt die Bytes dort ab, wo sie empfangen wurden (anstatt sie store and forward to the destination zum entfernten Flottencenter zu bringen); die Positionsinformation eines Containers in Buenos Aires muss von einem (zu errichtenden) Gateway in Argentinien empfangen werden und z.B. via INTELSAT (leitungsvermittelnd, hier also eher ineffizient) nach Raisting gebracht werden, von wo es dann zum Reeder nach z.B.„Hamburg S¨ud“ per Landleitung geht. 8

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10 Personal Communications Services

ter der Annahme, dass das System drei Jahre betrieben wird und die in der Tabelle genannten Kosten u¨ ber diese Zeit konstant bleiben. Es werden sechs Positionsabfragen pro Tag gemacht. In der Tabelle wurden mangels besserer Information GlobalStar-Terminalkosten in H¨ohe von 240,- € angenommen, t¨agliche Grundgeb¨uhren von Gonets u¨ bernom¨ men und Ubertragungsgeb¨ uhren von 0,30 € pro Positionsreport und terrestrisches Interconnect wie bei EUTELTRACS angenommen (eine Gateway Station ist f u¨ r Deutschland geplant, so dass Leitungskosten wie bei EUTELTRACS nur innerdeutsch anfallen). ORBCOMM hat das billigere Terminal (300,- €), einen noch g¨unstigeren Tarif, und ben¨otigt keine terrestrische Zuf u¨ hrung (die Gateway-Erdfunkstelle f u¨ r das Downloading der Satellitendaten l¨asst sich auf die Summe der Container umlegen, schl¨agt also auf die Kosten pro Tag pro Container kaum durch). Seit GONETS fliegt (1994 mit sechs Satelliten) ist es noch kosteng¨unstiger, mit dem billigen Terminal liegt der Tarif noch unter ORBCOMM. Wenn der Betrieb heute aufgenommen werden soll, bieten sich ORBCOMM und GONETS an. GONETS wird im Westen derzeit nicht vermarktet. 10.2.15 Zusammenfassung Little LEOs Seit den fr¨uhen 60er Jahren in Betrieb, leisten Little LEOs wertvolle Datendienste. Es zeichnen sich heute globale Systeme ab: ORBCOMM, FAISAT u.a. (USA) und GONETS (RUS). Weitere Systeme werden proklamiert: STARSYS, ARIADNE etc. Daneben gibt es Little LEOs in der Wissenschaft (TUBSAT et al). Die Liste der Little LEOs a¨ ndert sich von Jahr zu Jahr; immer kommen neue Systeme hinzu.

10.3 Big LEOs Der prim¨are Dienst der Big LEOs ist die pers¨onliche Kommunikation (in Personal Communications; PCN) des mobilen Nutzers (Phones on the Move) im Kontrast zu den ortsfesten (station¨aren) Telefonapparaten. PCN a¨ hnelt den terrestrischen Mobilfunknetzen wie GSM; sie unterscheiden sich jedoch in den folgenden Aspekten: Frequenzbandbreite Den terrestrischen Mobilfunknetzen ist mehr Spektrum zugeteilt, so dass sie schon deshalb gr¨ossere Kapazit¨aten anbieten k¨onnen. Typische Kapazit¨aten sind > 1 Erlang/km2 terrestrisch gegen¨uber < 0,1 Erlang/km2 f u¨ r die Satellitennetze. Flachendeckung W¨ahrend terrestrische Mobilfunknetze immer Versorgungsl¨ucken (L¨ocher) haben werden, decken die satellitengest¨utzten PCN die gesamte Erdoberfl¨ache ab – auch in sich entwickelnden L¨andern, die sich noch kein GSM leisten k¨onnen.

10.3 Big LEOs

349

Gesprachsubergabe In terrestrischen Mobilfunknetzen findet eine Gespr¨achs¨ubergabe statt, wenn der Nutzer die Zelle verl¨asst; bei Satelliten-PCN ist es umgekehrt: Der Satellit bewegt sich (schneller als der Nutzer), so dass Gespr¨achs¨ubergaben einfacher zu organisieren sind, da, im Gegensatz zum GSM-Netz (das zun¨achst nicht weiss, wohin der Nutzer geht), das System weiss, in welche Richtung der Satellit fliegt. Wirtschaftlichkeit Satellitengest¨utzte, die gesamte Erdoberfl¨ache abdeckende, PCN sind ungleich kosteng¨unstiger im Aufbau und wirtschaftlicher im Betrieb als lokal begrenzte, terrestrische Mobilfunknetze – insbesondere in sich entwickelnden L¨andern,die Satelliten ohne eigene Infrastrukturinvestitionen mitnutzen k¨onnen. Tabellen 10.4, 10.5 zeigen Big LEO Systeme und ihre technischen und finanziellen Eckwerte. Tabelle 10.4 Big LEO PCN Systeme, im Betrieb und derzeit oder ehedem in der Planung Dienst- Zahl Flugbeginn der Satel- h¨ohe liten [km] IRIDIUM

1998

66+

790

Sat.Paymasse load

700 kg S&F12 6 430

25 000

2,5 Mio

≈ 7 109 7

B/P13

100 000

10 Mio

≈ 3 109 7

45 000

2,5 Mio

≈ 3 109 7

1 000 000

10 Mio

GOBALSTAR 1999

48 + 6

1 414

400 kg

ICO ECCO

2001 2001

10 + 2 24+

10 354 1 414

> 1 t S&F 400 kg S&F

ELLIPSO

2000

24 + 12

2 903/426

ELEKON

49+

COURIER

64+

GONETS

1992

36+

Kan¨ale/ Simultan- Teilneh- SystemSatellit nutzer mer im kosten System

S&F <1t

1 400

2 800

216

S&F S&F

Tabelle 10.5 Big LEO PCN Systeme, im Betrieb und derzeit oder ehedem in der Planung Bahnperiode

Zahl der Bahnebenen

Inklination 98◦

37

GOBALSTAR

113 min

8

52◦

16

ICO ECCO

360 min 113 min

2 8

45◦ 52◦

167

IRIDIUM

Zellen Durchpro Sat. messer 670 km 10 850 km

ELLIPSO

ISL14

Datenrate

Ja

4.8 kbit/s 3 000,– €

Nein

9.6 kbit/s

Nein Nein

64 kbit/s

Nein

64 kbit/s

Nein

64 kbit/s

Ja

64 kbit/s

Dual-Mode Handys 600,- €

Air Time 2,5 €

<2,– €

<1,5 €

ELEKON COURIER GONETS

12 13

114 min

6

37

S&F = Store and Forward (Speichern und Weiterleiten) B/P = Bent Pipe (transparenter Transponder)

1,– €

350

10 Personal Communications Services

Zusammenfassung Die Big LEO Satellitensysteme fu¨ r Sprache (mit Handys) und Daten sind 1 IRIDIUM (USA) 3 GONETS/SMOLSAT (RUS)

2 GlobalStar (USA) 4 SIGNAL – Ariadna (UKR)

Dem IRIDIUM System wurden zun¨achst 5,15 MHz im oberen Bandteil von 1621,35– 1626,50 GHz zugeteilt und den CDMA Systemen 1610,0–1621,35 MHz unter der Bedingung, dass sich mehrere CDMA Systeme dort u¨ berlagern w¨urden; sollte nur ein einziges CDMA-System realisiert werden, w¨urde das Band in zwei gleiche H¨alften a` 8,25 MHz geteilt, die untere f u¨ r CDMA, die obere f u¨ r TDMA. Dies ist inzwischen so ausgef u¨ hrt worden, nachdem GlobalStar das einzige CDMA System geblieben ist. Das Ariadna-System arbeitet im C-Band. 10.3.1 GONETS Das GONETS15 Russlands ist dual ausgelegt, im UHF-Bereich der Little LEOs und im L-Band der Big LEOs. Im Bereich 1,6425 – 1,6434 GHz Erde-Satellit und 1,5410– 5419 GHz Satellit-Erde werden bis zu 64 kbit/s u¨ bertragen – genug f u¨ r einen Summendurchsatz von 25 Gbit/d oder 2 500 000 DIN A4 Seiten pro Tag. Der Erstzugriff erfolgt per ALOHA. GONETS verwendet (wie IRIDIUM etc.) Paketvermittlung. Einzelne Informationseinheiten (typisch 128 Byte oder 1 024 Bit) werden im Satelliten demoduliert, gespeichert und zu gegebener Zeit an einen anderen Satelliten oder zur¨uck zur Erde gesendet (store and forward); die Intersatellitenverbindungen sorgen f u¨ r Echtzeit¨ubermittlung von paketierter Sprache, E-Mail, Telex, Text, Bildmaterial und allgemeinen Daten. Die sechs kreisf o¨ rmigen Bahnen sind 1 400 km hoch und 83◦ inkliniert. In jeder Bahn befinden sich sechs (60◦ versetzte) Flugeinheiten. Das Vollsystem hat 36 Satelliten, zurzeit fliegen wohl halb so viele. Die Zellen, die die Satelliten auf der Erde ausleuchten, haben 5 000 km Durchmesser. ¨ Den Nutzern dieses globalen Systems werden die Ubertragungen pro bit oder eine verkehrsunabh¨angige Jahresgeb¨uhr berechnet. Sie d¨urfen auch eigene Hub betreiben.Wie bei IRIDIUM k¨onnen Gespr¨ache direkt von Handy zu Handy gef u¨ hrt werden, unabh¨angig von terrestrischen W¨ahlnetzen. Das System ist in das PSTN eingebunden, so dass es von ortsfesten Teilnehmern angew¨ahlt oder zu solchen vermittelt werden kann. GONETS bietet an: – – – – – – 14 15

Milit¨arische Kommunikation Gesch¨aftskommunikation zur Unterst¨utzung des Aufbaus der Volkswirtschaft Austausch von Information im medizinischen Bereich Ausstrahlung von Aus- und Weiterbildungskursen ¨ Notkommunikation in Katastrophengebieten f u¨ r Hilfsmannschaften und Arzte Kommunikation f u¨ r die Agenten der russischen Geheimdienste. ISL = Inter Satellite Link (Intersatellitenverbindung) Gonets ist russisch f¨ur Bote

10.3 Big LEOs

351

Das Handy soll <1 kg wiegen und ≤5 W Sendeleistung produzieren. Schon im Juli 1992 wurden zwei Test- und Demonstrationssatelliten gestartet; im September 1992 wurden dann die ersten sechs GONETS-D (mit der CYCLONE) eingebracht. Systembetreiber ist die SMOLSAT (Moskau) mit NPO Precisin Instrument, dem Sat-Hersteller NPO/PM (Krasnoijarsk) und u.a. dem Gesundheitsministerium ¨ (Soyuzmedinform). GONETS bedient bis zu 1 Mio Nutzer, u.a. Arzte in Gegenden unzureichender Fernmeldeinfrastruktur (siehe VITA). 10.3.2 IRIDIUM IRIDIUM (ehem. LOS, dann Cactus Ren) war eines der wenigen weltweiten PCN, als es 1999 den Betrieb aufnahm. Neben PCN bediente es Positionsbestimmung, Short Message Service, Daten¨ubertragung mit 2,4 kbit/s bis 4,8 kbit/s und Katastrophenkommunikation.Das globale Satellitenfernmeldenetz betreibt weltweit individuelle Kommunikation zwischen Nutzern mit Handys, zu Lande, zur See und im aeronautischen Sektor. Die Systemf u¨ hrung lag bei MOTOROLA Satellite Communications Inc., die Satellitennutzlast bei Raytheon und der Satellitenbus bei Lockheed Missiles & Space. Der Satellit wiegt zwischen 600 kg (Pegasus Einschuss) und 700 kg (DELTA-Launch). Bei einer Flugh¨ohe H von 790 km sieht ein Satellit eine Fl¨ache des Radius r (Erdradius Ro = 6 378 km)   R0 = 3 000 km. r = R0 · arccos (R0 + H) Davon wird aber nur eine Zelle von etwa 670 km genutzt, in der der Nutzer einen ad¨aquaten Erhebungswinkel hat. Jeder der 66 in 790 km H¨ohe fliegenden Satelliten zieht 37 Zellen am Boden (mit 27 000 km/h) mit sich. Ein Satellit umrundet damit die Erde alle 100 min. Die Satelliten sind auf sechs polaren Bahnebenen (86,4◦ inkliniert) a` elf Satelliten verteilt.Damit bietet das Netz eine 100%ige Sichtverbindung zu einem Satelliten. Wie bei GONETS wurden 1992 zwei Testsatelliten gestartet (GONETS arbeitet schon seit 1993). Das Handy sollte weniger als 500 g wiegen, 24 Stunden Standby haben und ca. 2 500,00 € kosten (der Anschluss eines Telefons im Festnetz kostet eine Telefonfirma durchschnittlich 2 500,00 €). Die Gespr¨achsminute soll 3,00 € bis 8,00 € betragen, mit 50,00 € Monatsgrundgeb¨uhr (diese Kosten h¨angen von den lokalen Service Providern ab). Dieses pers¨onliche Handy ist PLMN (z.B. GSM) interoperabel (dual mode) und kann programmiert werden, mit erster Priorit¨at auf IRIDIUM oder auf GSM zu schalten. Wenn GSM nicht verf u¨ gbar ist, schaltet das Ger¨at automatisch auf IRIDIUM (es bypassed das PLMN). IRIDIUM ersetzt die landgest¨utzten Zellularsysteme nicht, sondern erg¨anzt sie. Insbesondere in Ballungsgebieten sind auch in Zukunft terrestrische Systeme sinnvoll,w¨ahrend die Satelliten speziell d¨unn besiedelte Gebiete kosteneffektiv bedienen. Etwa zwanzig Gateway Stationen wurden anfangs in Betrieb genommen (z.B. in ¨ berleitung von Fucino,Italien,mit einer GSM-basierten D900 Vermittlung),die die U

352

10 Personal Communications Services

Gespr¨achen und Daten zum PSTN handhaben.Die Kommunikation zwischen Satellit und Boden findet bei 20/30 GHz (Ka-Band) statt, die Kommunikation zwischen den Satelliten u¨ ber 22 GHz-Inter Satellite Links, und die Verbindung zwischen Satellit und Handy im L-Band. Ein IRIDIUM-Handy bleibt ca. 90 s in derselben Zelle; ¨ w¨ahrend eines 3 Minuten-Gespr¨achs finden ein bis zwei Ubergaben an die n¨achste Zelle statt. Das Gesamtsystem bietet 283 000 Sprechkreise. Man erwartete f u¨ r das Jahr 2000 ca. 1,5 Millionen Kunden, < 0,1% des weltweiten Mobilfunkmarktes von 2 Milliarden Teilnehmern; der tats¨achliche Kundenkreis blieb deutlich hinter den Erwartungen. IRIDIUM arbeitete anfangs in dem von der WRC’92 der ITU allozierten Spektrum von 1610,0 bis 1626,5 MHz in der Bandsparte 1621,5–1626,5 MHz, das einzige System in diesem Unterband, da kein Zweites, ohne IRIDIUM und sich selbst zu st¨oren, im gleichen Band betrieben werden kann. Der Rest des Bandes wurde den Systemen zugeschrieben, die sich in CDMA u¨ berlagern. Es wurde dann aber von mehr als einem Duzend proklamierten Systemen nur ein einziges realisiert (GlobalStar), so dass die Federal Communications Commission (FCC, USA) 2004 das Gesamtband h¨alftig an IRIDIUM und GobalStar neu verteilte; IRIDIUM hat seitdem das Unterband 1618,25 bis 1626,50 MHz zur Verf u¨ gung (s. Abb. 10.6), und kann so mit einer zuk¨unftigen Generation von Satelliten Kapazit¨atsaufwuchs darstellen. Es wurde sogar vorgeschlagen, die Grenze zu GlobalStar auf 1616,5 MHz zu legen. Downlink: 2483.5 - 2500 MHz

1611.06 MHz

1

Uplink:

1613.52 MHz

1612.29 MHz

2

1615.96 MHz

1614.75 MHz

3

4

5

6

8

1623.36 MHz

1622.13 MHz

9

10

1625.82 MHz

1624.59 MHz

11

12

13

1.23 MHz 1.23 MHz 1.23 MHz 1.23 MHz 1.23 MHz 1.23 MHz 1.23 MHz

16.5 MHz 11.5 MHz

Stufe 2 1610 - 1621.50 MHz1 (1998) 1610.0 MHz

5.0 MHz 1618.25 MHz

Stufe 3 1610 - 1618.25 MHz (2003) Stufe 4 1610 - 1616.15 MHZ (2005)

1620.90 MHz

1619.67 MHz

7

1.23 MHz 1.23 MHz 1.23 MHz 1.23 MHz 1.23 MHz 1.23 MHz

Stufe 1: 1610 - 1621.35 MHz

1if

1618.44 MHz

1617.21 MHz

1621.5 MHz

8.25 MHz

6.15 MHz

1626.5

8.25 MHz

10.35 MHz

multiple systems share the band

Abb. 10.6 Das Spektrum von IRIDIUM und GlobalStar bei 1,6 GHz

Im Band 1621,35–1626,50 MHz sind 55 aktive Tr¨ager (Up- und Downlink) gleichzeitig aktiv (Gesamtfrequenzbandbreite mit Schutzabstand 5,15 MHz).  IRIDIUM sendet und empf¨angt auf derselben Frequenz, im TDMA-Zugriff. Das IRIDIUM TDMA-Format ist (s. Abb. 10.7): Periode zwischen zwei Sendebursts: Schutzabstand:

4,285700ms 0,042857ms (1% der Periode)

10.3 Big LEOs

Sendeburst: Empfangsburst: Rahmenl¨ange Anzahl der Sende- und Empfangsburst pro Rahmen Bitrate des Hochfrequenztr¨agers Bitrate per Gespr¨ach Gerahmt Codiert (Code Rate 3/4) 14 Gespr¨ache pro Tr¨ager Bandbreite pro Tr¨ager, QPSK-ROF 1,3 Bandbreite pro Tr¨ager plus Schutzabstand Anzahl der Tr¨ager in 5,15 MHz

353

1,3 ms 2,9 ms 60 ms je 14 288 kb/s in 400 MHz 4,8 kb/s 5,0 kb/s 7,0 kb/s 98,6 kb/s 64,0 kHz 72,0 kHz 24

Abb. 10.7 Das TDMA-Rahmenformat auf dem Uplink Tabelle 10.6 IRIDIUM-1 Systemparameter (5,15 MHz)

Nutzbitrate Leistung pro Tr¨ager EIRP pro Tr¨ager Vielfachzugriffsverfahren (kein gleichzeitiges) Modulation Polarisation (das Handy verwendet dieselbe Antenne f¨ur Senden und Empfang) Codierrate Anzahl der Sprachkan¨ale pro Tr¨ager Burstl¨ange

Downlink zum Handy 4,8 kb/s 10 W 35 dBW FDMA/TDM QPSK Rechtszirkular

Uplink vom Handy 4,8 kb/s 0,5 W −6 dBW FDMA/TDMA QPSK Rechtszirkular

3/4 14 1,3 ms

3/4 14 2,9 ms

Durch Wiederverwendung der Frequenzen in den Zellen u¨ bertr¨agt IRIDIUM 20 000 ¨ Telefonkan¨ale pro MHz. Die Ubertragung erfolgt mit einer Systemreserve f u¨ r Sprache von 16 dB, 22 dB bei Datentelegrammen und 35 dB bei Paging. Die Satelliten verwenden moderne Technologien wie z.B. Phased Array Antennen und Bordspeicher mit 1 -CMOS Digitaltechnik. Die Bordrechner empfangen die paketierte Information und leiten sie u¨ ber geeignete Flugeinheiten zu ihrem Bestimmungsort weiter (Packet Switching; s. auch Tabelle 10.3).

354

10 Personal Communications Services Tabelle 10.7 Parameter der Gesamtkonstellation

Gesamthochfrequenzbandbreite Hochfrequenzbandbreite pro Zelle in Frequenzwiederverwendung Anzahl der Tr¨ager a` 400 kHz in 1,715 MHz Anzahl der Sprachkan¨ale pro Zelle, 414 Anzahl der Zellen pro Satellit Anzahl der Sprachkan¨ale pro Satellit Anzahl der Satelliten Theoretische maximale Gesamtzahl der gleichzeitigen Gespr¨ache Maximale Gesamtzahl abz¨uglich Pole und W¨usten etc. Realistische Gesamtzahl gleichzeitiger Gespr¨ache im Mittel Realistische Gesamtzahl der Teilnehmer

5,15 MHz 1,715 MHz 4 56 37 2 072 66 136 752 34 188 17 094 200 000

Die Lebensdauer der Satelliten betr¨agt f u¨ nf bis sieben Jahre, so dass das Raumsegment kontinuierlich von dem fortschreitenden Stand der Technik profitieren kann, anstatt f u¨ r z.B. 15 Jahre festgeschrieben zu sein (GlobalStar-Satelliten sind f u¨ r acht bis zehn Jahre, GONETS f u¨ r drei Jahre ausgelegt). Das Raumsegment hat etwa 7 Mrd € gekostet. Nach der Absch¨uttelung der Investitionsschulden im Konkursverfahren konnte man den Teilnehmern niedrigere Tarife anbieten. Die IRIDIUM-Vorwahlen sind die Landeskennzahlen 008816 und 008817 nach dem internationalen ITU-T Study Group 2-E.164-Standard. Tarife Die Satelliten haben 110 Sprechkreise in jeder von 37 Zellen, bei 66 Satelliten also 268 620 Sprechkreise. Davon fliegen 6,25% u¨ ber bewohntem Gebiet und produzieren 50 000 Gespr¨achsminuten pro Sprechkreis pro Jahr, also 839 106 min/a. Das IRIDIUM Raumsegment allein kostete 7,5 109 €. Die Cash-Auswirkung setzt sich zusammen: Zinsen f u¨ r 7,5 109 €, die Tilgung von 7,5 109 € in f u¨ nf Jahren, die Satellitenbetriebskosten von 0,5 109 €/a, die Kosten des Service Providers und seiner Gateways und die Kosten f u¨ r Billing and Accounting (ca. 15% des Umsatzes), belaufen sich auf ca. 4 109 €/a. Um diese zu decken (noch ohne Profit) m¨ussen die 839 106 min/a ca. 5 € pro Gespr¨achsminute kosten, zuz¨uglich terrestrischem Interconnect zu Teilnehmern im ortsfesten Netz. Das „deutsche“ Gateway ist in Rom, also z.B. die Kosten von Rom nach Berlin. Die Teilnehmergeb¨uhren liegen hier bei bis zu 6 bis 8 €/min. Status Nachdem der Aufbau des Systems sich verz¨ogerte und zun¨achst keine Handys marktverf u¨ gbar waren, die Satelliten kr¨ankelten (um 66 taugliche Satelliten aufzubauen brauchte es den Einschuss von rund 100 Flugeinheiten; dann wurden sieben Ausf¨alle pro Jahr prognostiziert; zur Stunde sind wohl 48 Satelliten tauglich) und die Teilnehmer nicht willig waren, 6 bis 8 €/min zu bezahlen, entschied man, das

10.3 Big LEOs

355

System zum 17.03.2000 abzuschalten und die Satelliten zu deorbitieren (in der Atmosph¨are zu vergl¨uhen) und Bankrott anzumelden. Den ca. 30 000 Teilnehmern (im Gesch¨aftsplan waren zu dieser Zeit 1,5 Mio angenommen worden) empfahl man, zu GlobalStar zu gehen. Nach US Recht verloren die Gl¨aubiger ca. 8 Mrd €. Die Fa. Boeing konnte dass System (66 Satelliten plus Network Control) dann f u¨ r 25 Mio € kaufen und seine Dienste an die US Army f u¨ r 36 Mio € pro Jahr verkaufen. F¨ur diesen Kunden, aber auch f u¨ r die Allgemeinheit, ist es noch heute in Betrieb, unter anderem auch f u¨ r Daten¨ubertragung, und dort speziell auch f u¨ r Short Messages. Diese werden vom PC zu IP oder auch in das PSTN mit 2,4 kb/s mit Anw¨ahlung (Dial Up) u¨ bertragen – als Modem dient das IRIDIUM-Handy. Alternativ kann der Short Burst Data Service (SBD) mit einem Transceiver (¨uber RS232) erfolgen: vom Nutzer zum System mit 205 Bytes/Message, zum Nutzer mit 135 Bytes. Ein Multiplexer vereint vier Kan¨ale zu etwa 20 kb/s. Eine wirkungsvolle Funktion ist das Spoofing, eine effiziente Allways-On Funktion: Die Verbindung scheint zu stehen, ist aber nicht auf Sendung (not on the air) wenn kein Verkehr ist (Zero Air Time).Wenn Verkehr ist, wird er ohne Verbindungsaufbauverz¨ogerung u¨ bertragen. So wird die Nutzung der kostbaren Ressource Satellitenkanal optimiert und der Akku im Handy geschont. In Deutschland ist die France Telecom Service Provider f u¨ r IRIDIUM. 10.3.3 GlobalStar GlobalStar bedient Sprache, Daten, Fax, Positionsbestimmung und -¨ubermittlung (auf der Basis von OmniTRACS). Neben dem Handy sollen solarbetriebene Telefonzellen in Gebieten unterentwickelter Infrastruktur auch Menschen, die sich kein Handy leisten k¨onnen, telefonieren lassen. GlobalStar ist u¨ ber Gateways in die terrestrischen Netze eingebunden, wo immer vorhanden. Sie u¨ bernehmen auch oft das Rechnungswesen gegen¨uber den Teilnehmern. Die Eigner des Systems sind Space Systems LORAL,QUALCOM,AirTouch Communications (USA),Alenia (I),Alcatel (F),Dacom und Hyundai (K),VodaFone (UK) und die EADS. Das System komplementiert Mobilfunknetze in d¨unn besiedelten Gegenden, wo deren Errichtung nicht wirtschaftlich w¨are. Das Handy kostet bei einigen Service Providern bei Abschluss eines Zweijahresvertages (Grundgeb¨uhr 25 € p.m.) 700 €. Die Gateway Erdfunkstellen kosten den Service Provider 18 Mio €. Die Satelliten kosten die Systemeigner ca. 25 Mio € pro Flugeinheit; sie sind von einfacher Bent Pipe Architektur; sie spiegeln die Signale unver¨andert zur¨uck in die Coverage, aus der sie kamen. Bei einer Flugh¨ohe H von 1 414 km sieht ein Satellit eine Fl¨ache des Radius r (Erdradius Ro = 6 378 km)   R0 = 4 000 km r = R0 · arccos R0 + H kann also die Entfernung von Deutschland bis S¨udafrika u¨ berbr¨ucken. Die Kosten f u¨ r das Raumsegment beliefen sich im Jahr 2000 auf 3,9 Mrd €. Die Gateways leiten die Sprach- und Datenkan¨ale in das terrestrische W¨ahlnetz zur Weiterleitung an den Adressaten ein (s.Abb. 10.8; Gateway-Funktion zum PSTN

356

10 Personal Communications Services

bzw. PLMN; in Europa gibt es > Gateways). In diesen wird auch die Ermittlung der Teilnehmerposition auf der Basis der vom Teilnehmer abgesandten und u¨ ber mehr als einen Satelliten empfangenen Signale durchgef u¨ hrt. Das Ger¨at empf¨angt die in der Erdfunkstelle berechnete Positionsinformation oder, je nach Ausr¨ustung, f u¨ hrt es die Berechnung selbst durch. Jede Erdfunkstelle betreut bis zu drei Satelliten gleichzeitig. In Zellen, in denen sich keine Erdfunkstelle befindet, kann das System nicht genutzt werden. Im Gegensatz zu z.B. IRIDIUM, wo innerhalb einer Zelle direkte Handy-zu-Handy Verbindungen m¨oglich sind, geht GlobalStar immer im Double Hop u¨ ber eine Erdfunkstelle (Gateway Station).

Abb. 10.8 Schematische Darstellung und Frequenzen bei GlobalStar

Short Message Service GlobalStar bietet Short Message Service (SMS) an; Kurznachrichten bis zu 200 Zeichen k¨onnen vom oder zum Handy (oder einer Message Unit, ohne Sprachf¨ahigkeit) u¨ bermittelt werden und werden auch best¨atigt. Ist das Handy ausgeschaltet, wird die Kurznachricht in dem Gateway gespeichert bis es sich wieder meldet und wird dann u¨ bertragen. F¨ur die SMS wird dieselbe ITU/ETSI-SS7 Signalling Network Infrastructure verwendet, wie f u¨ r die Sprachverbindung. ¨ GlobalStar ist ein leitungsvermittelndes Netz, wie das f u¨ r die Ubertragung einer ca. dreimin¨utigen Sprechverbindung sinnvoll ist. Die wenigen Bytes einer Kurznachricht per Line Switching zu u¨ bertragen hat zwei Nachteile: (1) F¨ur den Leitungsauf- und Abbau m¨ussen Bytes u¨ bertragen werden, so dass ¨ die Effizienz der Ubermittlung entsprechend niedrig ist (90% Protokoll, 10% Daten); (2) Der GlobalStar sendet die Bytes in der Region wieder aus, wo er sie empfangen hat; er vermittelt nicht Satellit-zu-Satellit. Die Positionsinformation eines

10.3 Big LEOs

357

deutschen Containers in Rio muss von einem Gateway in Argentinien empfangen werden und z.B. via INMARSAT nach Raisting u¨ bertragen werden, von wo es dann zum Reeder in z.B. Hamburg-S¨ud per Landleitung geht (INMARSAT k¨onnte die Bytes aus Rio auch direkt nach Deutschland u¨ bermitteln – f u¨ r € 0,02 pro Byte). Deshalb ist es dem Diensteanbieter u¨ berlassen, ob er SMS bedient. Er muss f u¨ r SMS den SMS-Switch investieren und bei der Tarifierung des Dienstes die Konkurrenz der Little LEOs und der INMARSAT ber¨ucksichtigen. Bahnen Die acht Bahnebenen sind 52◦ inkliniert und 45◦ separiert, in jeder Kreisbahn fliegen sechs Wirk- plus ein Reservesatellit in 1 414 km Flugh¨ohe; die Satelliten in ¨ benachbarten Bahnebenen sind 7,5◦ gegeneinander versetzt.Der Uberflug eines Satelliten dauert 15 min; die Umlaufperiode ist 114 min. L¨anger dauernde Gespr¨ache oder Daten¨ubertragungen werden vom untergehenden an den aufgehenden Satelliten per Handover, f u¨ r den Nutzer unsp¨urbar, u¨ bergeben. Im Bedeckungsgebiet (7 743 km im Durchmesser) ist das Aktivgebiet auf 5 000 km Durchmesser konzentriert, so dass der Nutzer eine garantierte Elevation von 16◦ hat. Die Phased Array Satellitenantenne generiert in dieser Coverage 16 Zellen, die je 1 000 km Durchmesser haben (die Strecke von Sylt bis K¨onigsee). Das gesamte Frequenzband wird in jeder der 16 Zellen wieder verwendet; der St¨orschutz zwischen den Zellen beruht auf der Bandspreizcodierung . Die Satellitensendeleistung ist der Entfernung und dem aktuellen Verkehrsvolumen in der Zelle angepasst. Bild 10.9 zeigt die Anzahl der Satelliten in Sicht als Funktion des (n¨ordlichen oder s¨udlichen) Breitengrades. Unter 70◦ ist immer ein Satellit in Sicht, unter ca. 55◦ (in Deutschland) bis zu vier.

Abb. 10.9 Die Anzahl der GlobalStar-Satelliten in Sicht als Funktion des Breitengrades

358

10 Personal Communications Services

Systemkapazitat In dem verwendeten Frequenzband sind sechs FDMA-Tr¨agerfrequenzen a` 1,25 MHz ausgewiesen, auf denen sich je bis zu 64 Signale in CDMA u¨ berlagern. Damit ergibt sich die Systemkapazit¨at in den 16 Zellen pro Satellit von maximal n = ∗6 ∗ 16 = 6 144 gleichzeitige Kan¨ale in jeder Richtung, also Sprechkreise. Im gesamten Netz von 48 Satelliten ergibt dies eine theoretische Systemka¨ pazit¨at von 221 000 Sprechkreisen (angenommen 75% der Ubertragungskapazit¨ at werden genutzt). Bei einer durchschnittlichen Belegungsdichte von 0,01 Erlang/ Nutzer k¨onnen theoretisch 221 000/0,01 = 22 Mio Nutzer im System teilnehmen, unter der Voraussetzung, dass sie gleichm¨assig u¨ ber den Globus verteilt sind. Da die Nutzer aber nur zum kleinsten Teil auf dem Meer16 sind, bleiben etwa 5,5 Mio Nutzer. Da die Nutzer weiterhin nur zum kleinsten Teil in der W¨uste sind, bleiben etwa 2,5 Mio. Ein weiterer, die Kapazit¨at begrenzender Effekt ist, dass jeder Nutzer in Sicht von vier Satelliten drei der vier umsonst anstrahlt (die Frequenz von drei weiteren Satelliten blockiert), so dass die Zahl der maximal m¨oglichen Nutzer ca. 625 000 betr¨agt – immer noch unter der Annahme, dass sie gleichm¨assig verteilt sind. In Wahrheit sind sie in Ballungsgebieten konzentriert. Nutzung Die Nutzung des GlobalStar Systems ist in manchen Dienstregionen u¨ ber 2Jahresvertr¨age mit Handys f u¨ r 600 € m¨oglich. Die Gespr¨achsminutengeb¨uhren h¨angen vom lokalen Diensteanbieter ab. Frequenzen Die verwendeten Frequenzen befinden sich im 1,6 GHz Band zwischen Handy und Satellit (1610,00 bis 1618,25 GHz), im C-Band zwischen Satellit und Erdfunkstelle (6,875–7,055 GHz; Feeder Link down) und Erdfunkstelle zu Satellit (5,090– 5,250 GHz,Feeder Link up) und im S-Band vom Satellit zum Handy (2,483 500–2,494 850 GHz; s.Abb.10.9).Eine Gateway Station kann bis zu 1 000 Gespr¨ache gleichzeitig handhaben. Das pers¨onliche Handy in GlobalStar ist PLMN (einschl. GSM) interoperabel – schaltet also auf GSM oder GlobalStar, je nach Verf u¨ gbarkeit und Programmierung durch den Nutzer: es kann programmiert werden,bevorzugt das PLMN anzuw¨ahlen und nur wenn das PLMN besetzt oder nicht verf u¨ gbar ist,auf GlobalStar zu schalten. Die GlobalStar-Vorwahlen sind 008818 und 008819. Positionsbestimmung F¨ur den Positionsbestimmungsdienst ist das Ger¨at immer auf GlobalStar geschaltet. Es bieten sich vier Methoden der Positionsbestimmung an: 16

75% der Erdoberfl¨ache ist Wasser

10.3 Big LEOs

i. ii. iii. vi.

359

Two Way Ranging Two Way Ranging Two Way Ranging One Way Ranging One Way Ranging Autarc Ranging Differential Ranging

Diese Methoden funktionieren wie folgt: Two Way Ranging Das System schleift – wenn vom Nutzer aufgefordert – einen Hochfrequenztr¨ager vom Gateway u¨ ber einen Satelliten durch das Nutzerterminal und wieder zur¨uck, misst die Signallaufzeit und bestimmt damit die Entfernung des Nutzers zu diesem Satelliten. Danach wird der Vorgang u¨ ber den zweiten und, wenn verf u¨ gbar, den dritten Satelliten wiederholt und so eine Bi- oder Triangulierung durchgef u¨ hrt. Es ist auf der gesamten Erdoberfl¨ache (einschl. der Pole) mindestens ein Satellit immer sichtbar, so dass Unangulierung durchgef u¨ hrt werden kann, die im Verbund mit a priori Kenntnis der Position zu einer Grobbestimmung (z.B. f u¨ r Fleet Management) hinreicht. Die bandgespreizten Tr¨ager (Spread Spectrum) des GlobalStar eignen sich besonders gut f u¨ r hochgenaue Laufzeitmessungen. In jedem Fall fallen die Positionsdaten im Gateway an und m¨ussen zum Nutzer u¨ bertragen werden. Erreichbare Genauigkeiten liegen zwischen 200 und 300 m. Ein Nachteil des Verfahrens ist die Nutzung von Satellitenkommunikationskapazit¨at f u¨ r die Positionsbestimmung. One Way Ranging Der Nutzer empf¨angt die Satellitenbaken, denen die Koordinaten der Satelliten und eine Time Mark aufmoduliert sind und bestimmt die Laufzeiten dieser Baken – wie bei GPS: Triangulierung (mindestens Biangulierung) mit Einwegentfernungsmessung; die Positionsdaten fallen beim Nutzer an und k¨onnen – z.B. u¨ ber GlobalStar – an die Zentrale des Nutzers u¨ bertragen werden (die bei GPS fehlende Kommunikationskomponente). Erreichbare Genauigkeiten liegen zwischen 400 und 1 600 m und sind insb. f u¨ r Dualempf¨anger GPS/GlobalStar geeignet, die im Verbund ermittelte Genauigkeit zu verbessern. Diese Dualempf¨anger beziehen die ben¨otigte Zeitkenntnis aus dem GP-System. Autarc Ranging In diesem Modus bestimmt der Nutzer seine Position autark (z.B. mit GPS, GLONASS etc.); Genauigkeiten liegen zwischen 10 und 1 000 m, je nach Positionsbestimmungsverfahren und Qualit¨at des verwendeten Ger¨ates. Der Anwender nutzt ¨ GlobalStar nur f u¨ r die Ubermittlung der Positionsdaten an seine Zentrale. Differential Ranging Die Fa.Loral Space and Communications Ltd.bietet den Loral Integrated Navigation (LINCSS) an. Im Gateway Station ist ein GPS-Empf¨anger, der die sog. Differential-

360

10 Personal Communications Services

information ermittelt. Diese wird dem Nutzer via GlobalStar u¨ bermittelt; damit kann er trotz der k¨unstlichen Degradation der GPS-Signale die Position auf ca. 10 m genau ermitteln und sie (via GlobalStar) an seine Zentrale durchgeben. Diese R¨uckmeldung ist f u¨ r alle Flottensteuerungsanwendungen von gr¨osster Bedeutung. GlobalStar ist das einzige globale System, das (mit LINCSS) hochgenaue Ortung mit Kommunikation anbietet. Zusammenfassung GlobalStar Betreiber ist Loral Qualcom Satellite Services, Betriebsbeginn 1999, die Systemkosten belaufen sich auf etwa 5 Mrd € f u¨ r das Raumsegment plus je 15 M€ f u¨ r jeden von ca. 100 Gateways, die von den Diensteanbietern bestritten werden m¨ussen. Die Deutschland n¨achstgelegenen Gateways sind in Toulouse und Rom. Die Satelliten fliegen in Kreisbahnen: 48 in 8 Bahnebenen, 1 414 km Flugh¨ohe, 52◦ inkliniert; passive Transponder; Gespr¨achsgeb¨uhren: ca. 2 €/min f u¨ r das Raumsegment plus Kosten f u¨ r die Gateway, den Diensteanbieter und die terrestrische Anbindung (nach Rom oder Toulouse). Die ersten Handys von Qualcom kosten < 1 000 Euro. Die Satelliten leben ca. 10 Jahre (IRIDIUM ca. 5 Jahre). 10.3.4 ECCO-Equatorial ECCO ist ein von der brasilianischen Forschungsanstalt IMPE seit 1988 geplantes ¨ LEO-System f u¨ r die Ubertragung von Daten und Sprache zur Erg¨anzung der terrestrischen Infrastruktur in Brasilien. 54 Satelliten (`a 250 kg) sollen auf 2 000 km hohen Bahnen fliegen und so ±25◦ Breite abdecken (Brasilien liegt von 5◦ N bis 35◦ S). Die fernmeldetechnische Auslegung des ECCO-Systems ist identisch zu GlobalStar: transparente Transponder und der Vielfachzugriff im CDMA. Die Betreiberorganisation umfasst Telecomunicacoes Brasileiras S.S. (TELEBRAS), Bell Atlantic Enterprises Int. (USA) und Constellation Communications Inc. (USA). Die ersten 12 Satelliten sollten in Kreisbahnen mit 0◦ Inklination (¨uber ¨ dem Aquator) fliegen; die restlichen in sieben Bahnebenen a` sechs Satelliten mit 62◦ Inklination eingebracht werden. Die Konstellation sollte 1997 komplett sein, 500 Mio € kosten und Teilnehmer in Zentral- und S¨udamerika, S¨udostasien, Afrika und dem Mittleren Osten bedienen. Als Hersteller der Satelliten wurde Orbital Science (USA) ausgew¨ahlt. Es ist nicht bekannt dass das System den Betrieb aufgenommen hat. Die Versorgung eines Gebietes mit zw¨olf tief fliegenden Satelliten, das auch mit einem GEO versorgt werden k¨onnte, ist nicht optimal. 10.3.5 COURIER Das COURIER System von Big LEO Satelliten der Fa. SATCON ist in Deutschland angemeldet und will 64 Satelliten in 700 km H¨ohe fliegen; die transparenten Transponder nutzen CDMA, im selben Frequenzband wie GlobalStar, ECCO etc. (1610 MHz). Das System wurde wohl nicht finanziert.

10.3 Big LEOs

361

10.3.6 ODYSSEY Von dem Satellitenhersteller TRW, USA, proklamiert, sollte dieses PCS’ Sprache, Daten, Paging, E-Mail, Messaging und Ortung anbieten – der Betrieb ist begrenzt auf nationale und regionale Erreichbarkeit innerhalb der Satelliten-Zelle, unabh¨angig vom terrestrischen PSTN. Mit 12 Satelliten in Medium altitude Earth Orbits (MEOs, 10 354 km) in drei um 55◦ inklinierten Bahnebenen a` 4 Satelliten. F¨ur das System waren die Frequenzpaare 1610,0–1626,5 MHz (aufw¨arts) und 2483,5–2500,0 MHz (abw¨arts) vorgesehen, CDMA mit 4,83 MHz Bandbreite. In 19 Zellen wird die Frequenz 6,33 mal wieder verwendet. Die Kommunikation zwischen Satellit und Kontrollstationen l¨auft im 20/30 GHz-Band, und es sind keine Inter-Satellite-Links vorhanden. Weitverkehrsverbindungen sind von der Verf u¨ gbarkeit von Gateways und terrestrischen Netzen abh¨angig. Die ODYSSEY-Satelliten haben Bent Pipe Transponder (transparente Repeater ohne Signalverarbeitung an Bord der Satelliten). Die Antennen sind fest an den Satelliten montiert; um die Zellen an die Erdoberfl¨ache zu fixieren, werden die ¨ Satelliten w¨ahrend des Uberflugs der Zelle geneigt. Jeder Satellit generiert an die 19 Zellen a` 800 km Durchmesser und damit eine Kapazit¨at von 2 300 Sprechkreisen. Die Signallaufzeit mit ca. 100 ms plus 20 ms im Gateway-Bereich kann ≈120 ms erreichen (50% der GEO Laufzeit). F¨ur Teilnehmer, die w¨ahrend eines Gespr¨achs ¨ ihre Zelle verlassen, erfolgt die Ubergabe (Handover) automatisch. Das Handy mit seiner Quadrifilar-Helixantenne und 0,5 Watt Sendeleistung hat die Gr¨osse eines GSM-Handys und ist interoperabel mit GSM (in USA dem American Digital Standard,ADS oder dem Advanced Mobile Phone Service,AMPS). Die theoretisch maximale Teilnehmerzahl in ODYSSEY ist 2,3 Mio – die Gr¨ossenordnung von IRIDIUM. F¨ur Weitverkehrsverbindungen ist QDYSSEY auf terrestrische PSTN angewiesen; aber es bedient innerhalb einer Zelle Handy-zu-HandyVerbindungen direkt, im Gegensatz z.B. zu GlobalStar, das immer im Double Hop u¨ ber eine zwischengeschaltete Erdfunkstelle gehen muss. ODYSSEY h¨atte mit 12 Satelliten dieselbe Kapazit¨at wie GlobalStar mit 48 oder IRIDIUM mit 66 gehabt. Wie bei ICO w¨urde der Nutzer immer zwei, meist drei Satelliten sehen. Das System fand jedoch keine Finanzierung und wird nicht weiter verfolgt; die Patente auf die Umlaufbahnen und die Projektaktivit¨aten wurden in die ICO eingebracht. 10.3.7 ELEKON/STIR ELEKON/STIR ist ein Big LEO System der Fa.Elbe Space & Technology Dresden,das Kommunikation und Ortung anbietet.Sieben (mit der russischen Zenit eingeschossene) Satelliten fliegen in sieben polaren Bahnebenen in 1 150 km H¨ohe. Der erste Satellit wurde 1994 gestartet; 1998 sollte die Konstellation komplett sein. Die Frequenzen sind 1,6 GHz Nutzer-Uplink, 2,5 GHz Nutzer-Downlink, 5,2 GHz GatewayUplink und 7,0 GHz Gateway-Downlink. Die in Russland gebauten Satelliten liefern 200 W elektrische Leistung, wiegen 1 t und haben 3 Jahre Lebensdauer. Mit 5 Antennen werden 21 Zellen gebildet. Der Vielfachzugriff ist FDMA/CDMA/TDMA, BPSK und QPSK moduliert. Die maximale Datenrate ist 216 kbit/s. Die Nutzlast beinhaltet

362

10 Personal Communications Services

– passive Transponder und auch – On Board Processing (OBP) mit 3,75 MByte RAM – TSYKADA-Funkortungssender. Mit der Funkortung auf der Basis des russischen TSYKADA Systems verf u¨ gt ELEKON/STIR u¨ ber eine Doppler-Ortungskomponente mit 300 m Genauigkeit, hinreichend f u¨ r Frachtgutverfolgung etc. Neben vehikelautonomer Ortung kann, wie bei EUTELTRACS, das Ortungssignal u¨ ber einen Vehikeltransponder zum Satelliten zur¨uckgeschleift und in der Betriebsbodenstation ausgewertet werden. Dies ist z.B. bei Containern sinnvoll, wo die Information nicht im Container sondern in der Speditionszentrale interessiert. Der Vorteil dieser Systemarchitektur ist die Vereinfachung des mobilen Terminals. Es hat keine Datenverarbeitung, jedoch Signalverarbeitung: Der Hochfrequenztr¨ager muss demoduliert werden, um im Basisband erkennen zu k¨onnen, welcher Container angesprochen ist – sonst antworten alle. Der Nachteil liegt in der Doppelbelegung des Satelliten (Vor- plus R¨uckkanal). ELEKON/STIR propagiert Containerverfolgung f u¨ r € 0,40 pro Container pro Tag. Das System bedient in der 5 000 km grossen Bedeckungszone bis zu 180 000 Nutzer gleichzeitig. 10.3.8 CONSTELLATION Die Firmen Constellation Communications Inc., Bell Atlantic Enterprises International und Telecomunicacoes Brasileiras S.S. (TELEBRAS) betreiben gemeinsam das Big LEO System Equatorial Constellation Communications (ECCO). 10.3.9 Archimedes Das Archimedes System der ESA befindet sich in der Studienphase; sechs Satelliten sollen in drei hochelliptischen 8 h Schleifen fliegen, deren Apog¨aen erdfest u¨ ber Europa, Nordamerika und Ostasien liegen. Das System bietet einen Super Information Highway von 2,3 Mbit/s zum Auto: Verkehrsfunk, Daten¨ubertragung, Mehrwertdienste und DAB (Digital Audio Broadcast: 40 H¨orfunkprogramme in CD-Qualit¨at als Pay Radio im 1,452 GHz DAB-Band).Am Fahrzeug werden Flachantennen (Phased Arrays) eingesetzt. H¨ohenwinkel von 25◦ garantieren den Empfang auch in Waldschneisen. Die Jahresgeb¨uhr des Pay Radio soll € 7,5 nicht u¨ berschreiten; das System sollte 1997 gestartet werden und 1999 in Betrieb gehen. 10.3.10 ELLIPSO II Dieses System der Fa. MCHI (USA) sollte 24 Satelliten in zwei oder vier hoch elliptischen HEO-Bahnen von 63,4◦ Inklination mit Apog¨aen in 2 903 km H¨ohe und Perig¨aen bei 426 km einsetzen. Das Frequenzband ist 1610,0–1626,5 MHz. ELLIPSO hat keine Intersatellitenverbindungen und ist auf die n¨ordliche Hemisph¨are beschr¨ankt. Es wird mit Handy nutzbar sein und bietet Kommunikation und Positionsbestimmung. Das Handy soll 500 € und die Gespr¨achsminute 0,35 € kosten – deutlich weniger als bei IRIDIUM. Das 1,5 Mrd € System sollte 2002 in Dienst gehen – nach IRIDIUM und GlobalStar, ist aber wohl nicht finanziert worden.

10.3 Big LEOs

363

10.3.11 Ariadna Das Ariadna der Ukraine sei der Vollst¨andigkeit halber erw¨ahnt. Mit 25 umlaufenden Satelliten will man 100 000 bis 200 000 Teilnehmern Telefon- und Datenverkehr bis 1 Mbit/s im C-Band anbieten. Das Nutzerterminal sendet 8 W – f u¨ r ein Handy etwas viel. 10.3.12 Zusammenfassung Big LEOs Die Big LEOs komplementieren den Landmobilfunk – insbesonders in Regionen mit weniger ausgebauten terrestrischen Netzen, wo sie nicht mit GSM konkurieren. Der Satellit bedient 0,1 Erlang/km2 ,GSM bis zu 10 Erlang/km2 ,das Satelliten-Handy kostet 400 bis 800 €, die GSM-Handys werden nahezu kostenlos austeilt. Die Big LEO-Handys sind in der Regel GSM/IS-interoperabel, k¨onnen also z.B. wahlweise u¨ ber IRIDIUM, IS (USA) oder GSM kommunizieren. Diese Triple-Mode-Handys wiegen < 500 g und erlauben > 100 h Standby. Im Verbund mit GSM und IS ist heute Worldwide Roaming m¨oglich geworden; der Teilnehmer bewegt sich von einem Land zum anderen und kann weltweit erreicht werden. Allerdings kosten die Gespr¨achsminuten bei LEO-Konstellationen (IRIDIUM 3,- bis 7,- €) deutlich mehr als GSM und IS.Wo GSM oder IS verf u¨ gbar sind, wird der Teilnehmer sie dem Satelliten vorziehen. Diese Big LEO Systeme m¨ussen sich das verf u¨ gbare Frequenzband teilen; allein im Bereich 1610,0–1626,5 MHz sind die in Tabelle 10.8 genannten Big LEO Systeme angemeldet worden (von denen aber nur die ersten vier realisiert wurden). Nur IRIDIUM hat ein exklusives Band (1621,35–1618,25 MHz, 8,25 MHz breit), alle anderen Systeme m¨ussen sich das Band teilen. Tabelle 10.8 PCN-Systeme, im Frequenzband 1610,0–1626,5 MHz angemeldet

01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 1

System

Land

Zugriffstechnik

GONETS/ SMOLSAT IRIDIUM GlobalStar SIGNAL SIGNAL ECCO ELLIPSO1 COURIER Quasi GEO1 ARIES/CONSTELLATION

RUS USA USA UKR Brasil USA D D D USA

FDMA TDMA CDMA CDMA CDMA CDMA CDMA CDMA TDMA CDMA

ein System auf hochelliptischen Bahnen.

364

10 Personal Communications Services

10.4 UMTS Die terrestrischen Universal Mobile Telecommunications Services (UMTS) sind die dritte Generation Mobilfunk; S-UMTS ist die Satellitenkomponente. 1. Generation

2. Generation

3. Generation

ANALOG

DIGITAL

MULTIMEDIAL

Nationale Bedeckung

Internationale Bedeckung

Globale Bedeckung

Die Systeme der zweiten Generation gehen bis ca. 6,4 kbit/s; damit kann man sprechen und Faxe senden. Die dritte Generation f¨angt bei 64 kbit/s an und reicht bis 2 (sp¨ater 8) Mbit/s. Damit kann man sprechen, Videos senden und im Internet arbeiten. 1999 waren neun S-UMTS Systeme angemeldet: System: Horizons ICO CANSAT M3 MSS/ARSS Constellation 2 Ellipso 2G

Konstellation: GEO MEO GEO MEO LEO MEO

CELLSAT INX Macrocell GS 2

GEO LEO LEO/GEO

Betreiber: INMARSAT, London ICO, London TMI Communications, Ottawa, Canada The Boeing Company, USA Constellations Communications Inc., USA17 Mobile Comm’s Holdings Inc. (MCHI), USA, Israel18 Cellsat America INC., USA IRIDIUM World Communications, USA GlobalStar L.P., USA

Horizons Das Horizons-Programm der INMARSAT sollte 2002 den S-UMTS Dienst aufnehmen und Breitbanddienste f u¨ r den mobilen Nutzer anbieten – mit INMARSAT-4 wurden dann 2005 492 kb/s auch in Laptops verf u¨ gbar, f u¨ r multimediale Breitbanddienste und Internet. ICO Nach n¨uchterner Untersuchung des Satellitenmobilfunks des 21.Jahrhunderts stellte die INMARSAT 1993 fest, dass f u¨ r die l¨uckenlose Abdeckung der Erde keine 77 oder mehr Satelliten notwendig sind. Man kann im Prinzip mit geostation¨aren Satelliten allein arbeiten; allenfalls stellten umlaufende Satelliten auf sehr hohen, kreisf o¨ rmigen Bahnen eine Erg¨anzung zu den GEOs dar: Das „Projekt 21“ (auch INMARSAT-P) auf der Basis der Intermediate altitude Circular Orbits (ICO). Die Satelliten fliegen in zwei um 90◦ versetzten Bahnebenen mit 45◦ Inklination (Durchstosspunkte bei 90◦ O und 90◦W), Flugh¨ohe 10 355 km, je f u¨ nf Flugeinheiten

10.4 UMTS

365

pro Bahnebene, 72◦ Intra-plane Phasing und 0◦ Interplane Phasing (die zwei Bahnebenen sind synchron). Jeder Satellit sieht 30% der Erdoberfl¨ache, die gesamte Erde wird bedeckt und der Nutzer sieht mindestens zwei Satelliten. Die Frequenzen (je 30 MHz) liegen bei 1,985 – 2,015 GHz Uplink und 2,17 – 2,20 GHz Downlink f u¨ r das Link zum Handy und bei 5,1871 – 5,2369 GHz Uplink und 7,0181 – 7,0569 GHz Downlink von/zum Gateway (wie bei GlobalStar). Jeder Satellit bildet 163 Funkzellen am Boden, Senden und Empfangen sind kongruent. Die gesamte Satelliten-EIRP ist 58 dBW und das G-T = −17 dBi/K. Der Vielfachzugriff auf die Satelliten ist TDMA. Mit transparenten Transpondern (und ohne Intersatellitenverbindungen) werden 45 000 Gespr¨ache pro Satellit gehandhabt – eine theoretische Systemkapazit¨at von 45 000 gleichzeitigen Gespr¨achen bzw. ca. 4,5 Millionen Teilnehmern im System. Die Mehrheit der Handys sollte Multi Mode sein, die mit ICO und GSM/IS4119/etc. arbeiten sollten, wenn der Dienst des New-ICO in 2002 beginnen w¨urde. ¨ Insgesamt 12 Satellite Access Nodes (SAN) sorgen f u¨ r die Uberleitung in PSTNs und GSM/IS-41/etc. Die SAN sind vergleichbar mit den Gateways von IRIDIUM und GlobalStar.Das europ¨aische SAN ist in Usingen (D).Die ICO zugeteilte Vorwahl sind die Landeskennzahlen 008810 und 008811 nach dem internationalen ITU-T SG2-E.164-Standard. Die Investitionskosten des ICO-Systems werden auf 3 Mrd € gesch¨atzt. Um die klobigen Handys von IRIDIUM und den Nachteil der Satelliten, dass sie kaum Geb¨audeeindringung haben zu umgehen, verwendet ICO einen (zigarrenkistengrossen) Umsetzer (Repeater), den der Teilnehmer auf den Fenstersims stellt. Damit kann das Handy, das nur mit diesem Repeater kommuniziert, beliebig klein sein. Es spricht mit dem Repeater u¨ ber Bluetooth-Funk mit Bitraten bis 144 kb/s. Gespr¨ache mit bis zu 80 km entfernten Handys werden direkt u¨ ber den Repeater (ohne Satellit) gef u¨ hrt. Hierf u¨ r werden die 2 GHz-Satellitenb¨ander wieder verwendet. In Ballungszentren will die ICO selbst Repeater betreiben. Die Realisierung des ICO wurde von den USA blockiert, die die Konkurrenz zu ihren nationalen Systemen (IRIDIUM, GlobalStar etc.) f u¨ rchteten. An dieser Stelle k¨undigte der Pr¨asident der INMARSAT, gr¨undete die privatrechtliche Fa. ICO und bestellte (Juli 1995 bei Hughes) 10 Satelliten (plus zwei Reserveeinheiten, fu¨ r 1,3 Mrd €). Daraufhin meldete die ICO 1999 in USA Konkurs nach Chapter 11 an, wurde aber in London mit Hilfe von Financiers als die New-ICO neu gegr¨undet (ICO/Teledesic; siehe www. teledesic.com, www.ico.com). Nun sollte die umlaufende Konstellation 15 der grossen, 2,7 t schweren Satelliten beinhalten; die Lebensdauer mit 8,9 kW Prim¨arleistung betrug 12 Jahre. Ein erster Start war Juni 2001, weitere f u¨ nf Satelliten wurden gebaut, dann ist ICO aus dem Kaufvertrag ausgestiegen und verk¨undete, von einem anderen Hersteller statt dessen einen einzigen Satelliten zu kaufen. Dieser war gedacht f u¨ r den Betrieb u¨ ber dem amerikanischen Kontinent im geostation¨aren Orbit, auf einer u¨ ber die britische Verwaltung angemeldete Position bei 91◦W. Dienstbeginn sollte 2007 sein. Seitdem scheint das System zu ruhen. 19

Ein GSM-System in den USA

366

10 Personal Communications Services

10.5 Little GEOs { Data Only aus dem GEO 10.5.1 INMARSAT Das klassische Beispiel eines Little GEO sind die INMARSAT-Standard-C-Dienste: Daten ≤ 600 bit/s, Fax, Personenruf, Messaging und E-Mail, zu kleinsten Terminals mit G-T = −23 dBi/K und EIRP = 16 dBW (s. Kap. 9.2). 10.5.2 EUTELTRACS Das EUTELTRACS der EUTELSAT diente der Ortung und Daten¨ubermittlung z.B. zur Flottenleitzentrale. Viele Teilnehmer nutzen GPS und machen nur von der Daten¨ubermittlung des EUTELTRACS Gebrauch, die kosteng¨unstiger als die INMARSAT-Standard-C-Dienste sein k¨onnen. 10.5.3 MDC Mit Micro Small Aperture Terminal oder SAT werden Datendienste mit Datenraten kleiner als VSAT-Dienste betrieben: Credit Card Verification, Single Business Transactions, Position Reporting of Vehicles to Fleet Management Centers, Health Reporting of Vehicles to Fleet Operations Centers etc. Es werden z.B. 40 bis 160 Byte in 20 bis 80 ms u¨ bertragen, also mit 16 kbit/s. Die COMTECH Mobile Datacom Corp. (MDC, www.comtechmobile.com Washington,) hat Micro Small Aperture Terminalg(SAT) Dienste aufgebaut. Diese senden zum GEO-Satelliten im 1,6 GHz-Band, vom Satelliten zur Kontrollstation im Nutzerband des Host Satellite (meist 11 GHz). Der R¨uckkanal (Kontrollstation zum Satellit) ist auf C-Band-Satelliten (bei 6 GHz) realisiert und 4 GHz vom Satelliten zum SAT. Die MDC-Satellitennutzlast – wie sie in USA auf GSTAR-III/SpaceNet3R realisiert wurde – wiegt 6,8 kg einschl. einer elliptischen Antenne (132 cm x 72 cm); die Stromaufnahme des Receive Only Transponders betr¨agt 15 W. Das Downlink verlangt in einem der 11 GHz Transponder 16,5 MHz fest zugeteilte Bandbreite. Daf u¨ r bezahlt MDC der Fa. GST eine Miete. Das SAT wiegt 5 kg und soll auch als Handy verf u¨ gbar werden. Die Sendeleistung wird in einem Kondensator aufgebaut und in den 20 bis 80 ms entladen. Der MDC Service auf dieser Basis wird weltweit betrieben, u.a. Mobility Management Messaging f u¨ r die US Army. MDC und Standard-C sind der Beweis, dass f u¨ r den globalen Little Service (data only) drei GEOs reichen und keine 48 tieffliegende LEOs n¨otig sind (siehe auch www.comtechmobile.com). 10.5.4 EUMETSAT Die europ¨aische Organisation f u¨ r satellitengest¨utzte Meteorologie EUMETSAT (Darmstadt) ist das Pendant der Fernmeldeorganisation EUTELSAT auf dem Wettersektor.Dar¨uber hinaus hat die EUMETSAT mit ihrem METEOSAT-Raumsegment

10.6 Big GEOs – Telefonie zum Handy aus dem GEO

367

auch eine Kommunikationskomponente. Zus¨atzlich zu den Sensoren im sichtbaren und Infrarotbereich (die uns die Wetterkarte in den Fernsehnachrichten bescheren) hat der METEOSAT auch einen Transponder fu¨ r Daten¨ubertragung. Er bedient Kleinsterdfunkstellen (Data Collection Platforms), die zur Umweltbeobachtung im Gel¨ande verteilt sind zur Messung der Luftverschmutzung, von Wasserstandspegeln und Wasserqualit¨at etc. Diese Sub-VSATs setzen ihre Daten sporadisch in B¨undeln mit niedrigsten Bitraten (< l kbit/s) an den METEOSAT ab, der sie zu der zentralen Datenverarbeitungsstation leitet. Dieses Daten¨ubertragungssystem in METEOSAT tr¨agt den Projektnamen ARGOS; der Satellitensender der Kleinsterdfunkstelle kostete (1995) komplett mit Stromversorgung 300,– €.

10.6 Big GEOs { Telefonie zum Handy aus dem GEO 10.6.1 Einfu hrung Neben den Big LEOs gibt es auch eine Reihe von Big GEOs, Systeme, die aus der geostation¨aren Umlaufbahn – dem technologischen Trend entsprechend – Personal Communications mit Handys bedienen – daher auch Super GEOs genannt; des Weiteren taucht die Bezeichnung GEO-Mobile auf (s. Tabelle 10.9). Die Tarife f u¨ r die Gespr¨achsminute sind in Tabelle 10.10 aufgezeigt. Der gravierende Preisunterschied zwischen den Big GEOs (ca. 0,25 €) und den Little LEOs (ca. 2,50 €) ist u.a. auf die ungleich kleinere Zahl von Satelliten zur¨uckzuf u¨ hren, die f u¨ r GEO-Anwendungen notwendig sind (zwei bis maximal vier). Exemplarisch f u¨ r die Super-GEOs sei das System ACeS/Garuda-1 vorgestellt: 10.6.2 ACeS/Garuda-1 Das Asia Cellular Satellite (ACeS) der PT Pacific Satellite Nusantara, gestartet Anfang 2000, bedient Indonesien und Anrainer mit je einer 12 m Satellitenantenne zum Senden und Empfangen. Sie generieren 140 Zellen am Boden mit 680 km Durchmesser. 14 kW Prim¨arleistung erlauben Handy-zu-Handy Direktverbindungen. Die Lebensdauer von 15 Jahren f u¨ hrt zu einem guten Gesch¨aftsplan und zu einem Preis von 0,30 € pro Gespr¨achsminute. Das Handy kostet 100 €. Typische Tarife dieser Systeme s. Tabelle 10.10. Streckenbilanz am Beispiel AceS: Der Satellit Der Antennendurchmesser betr¨agt 12 m; der Gewinn am Rande (L-Band) 42,4 dBi, die Sendeleistung betr¨agt 9,1 dBW pro Spotbeam; die Gesamtsendeleistung f u¨ r 140 Spotbeams 30,6 dBW. Die EIRP am Rande ist 73 dBW, f u¨ r 140 Spotbeams, also 51,5 dBW pro Spotbeam, f u¨ r im Mittel 114 Sprechkreise pro Spotbeam, also 31 dBW pro Kanal.

368

10 Personal Communications Services Tabelle 10.9 Big GEO PCN-Systeme im L-Band angemeldet

1 2

3 4 5

6 7

8 9 10

11 12 13 14 15 16

Al Thuraya, in den United Arab Emirates, das die arabisch sprechende Welt seit 2000 mit Personal Communications bedient; ACeS, (Asia Cellular Satellite), Personal Communications in Indien, Indonesien, den Philippinen, Thailand, China und S¨udostasien (ebenfalls von Lockheed-Martin und f¨ur die gleiche Anwendung: Handys); am 12.02.2000 im GEO gestartet; mit GMSS Standard, die Satellitenversion von GSM; das Ericsson Handy wiegt 200 g; APMT (Asia Pacific Mobile Telecommunications), Mobilkommunikation in S¨udostasien, China und West Pazifik; (von Hughes), geostation¨ar; INMARSAT-4, seit 2004, einer der leistungsf¨ahigsten GEOs; f¨ur Sprachverkehr mit dem Handy oder auch Datenverkehr mit dem Laptop-Terminal; MTSAT (Multifunctional Transport Satellite; Japan, ein GEO mit meteorologischen Sensoren, Navigationsbaken und sechs Transpondern f¨ur Cockpit-to-Air Traffic Control Communications;der Satellit von LORAL gebaut und von der japanischen H-2A gestartet); OPTUS (Australien, von Singapur betrieben und vermarktet, u.a. an die australischen Streitkr¨afte und kommerziell; MSV (Mobile Satellite Ventures), Nachfolge von AMSC (American Mobile Satellite Corporation), die seit Anfang der 90er Jahre Mobilfunk in den USA angeboten haben; MSV wird eine Antennenapertur von 400 m2 haben; TMI (Telesat Mobile Link), Canada (TMI und AMSC waren fast baugleiche Satelliten); TMI ist in der Folgegeneration an MSV beteiligt; Actel (African Continental Telecommunications Ltd.), S¨udafrika, Erdfunkstelle in Gibraltar, mit einem AMSC-Satelliten der USA; EAST, das Euro-Afrikanische Satelliten-Telekommunikationssystem (EADS), geostation¨ar, f¨ur regionale Personal Communiations Services, mit L-Band-Handys (interoperabel mit ACeS) und ortsfesten Ku-Band-Terminals bis ca. 10 kbit/s; ETS-VIII (MPT, Japan), Dienstbeginn 2002; S-Band; AGRANI, das African Satellite Telecommunications Satellites System, Mobilfunk mit Handys; CelSat America Inc., (Mobilfunk im UMTS-Band bei 2 GHz); CyproSat/Mobile GEO f¨ur Zypern, Griechenland/T¨urkei; Comets, Japan, sollte den Dienst mit Handys aufnehmen; Marafon, Russland, a` la INMARSAT.

Tabelle 10.10 Kosten f¨ur die Gespr¨achsminute bei LEO- und GEO-Systemen

System Dienstbeginn Airtime/min

LEOs IRIDIUM 1998 4–8 €

GlobalStar 2000 2–4 €

CelSat 2000 0,30 €

GEOs APMT 2000 0,30 €

Thuraya 2000 0,30 €

AceS 2000 0,23 €

Das Handy Uplinkfrequenz 1,6 GHz, Downlinkfrequenz 1,5 GHz, G-T = −26 dBi/K

East 2001 0,20 €

10.6 Big GEOs – Telefonie zum Handy aus dem GEO

369

Das Soll der Strecke Eb − No = 9,6 + 10 log(2400b/s) − CG + IM = 9,6 + 33,8 − 4 + 1 = 40,4 dBHz Das Haben der Strecke C-N o,down = EIRPdown − PLdown − LM + G-T Handy − K = 31 dBW − 188,3 dB − 5dB − 26dBi/K + 228,6 dBWs/K = 40,3 dBHz Das Haben entspricht knapp dem Soll; die Link Marge LM ist mit 5 dB eher knapp; das L-Band ist zwar regensicher, aber auch es braucht 10 bis 15 dB, um Laub zu durchdringen (hierzu hatte IRIDIUM eine Link Marge von 16 dB!). Zur Verbesserung zuk¨unftiger Systeme m¨usste man versuchen, die EIRP down um 4 bis 5 dB zu erh¨ohen. Dies k¨onnte man z.B. mit 1 dB mehr Leistung und 3 bis 4 dB mehr Antennengewinn erreichen. Die Stand-der-Technik-Antenne mit 18 m Durchmesser (ETS-VIII) hat 3,5 dB mehr Gewinn (als die 12 m Antenne) und w¨urde ausserdem eine h¨ohere Frequenzwiederverwendung erzeugen. Im laufenden System sindVerbesserungen auf die Erh¨ohung der Empf¨angerg¨ute G-T Handy und weiter reduzierte Bitraten beschr¨ankt. Das G-T Handy k¨onnte auf −24 bis −22 dBi/K gebracht werden, und die Bitrate auf 1,2 kb/s, eine Verbesserung von 5 bis 7 dB w¨urde die Link Marge LM also auf 10 bis 12 dB anheben. Handy-to-Handy R¨uckkanal EIRPHandy = −4 dBW G-T L−Band Uplink = 15,3 dBi/K C-N o,up = EIRPHandy − PLup − LM + G-T L−Band − K = −4 dBW − 188,3 dB − 5 dB + 15,3 dBi/K + 228,6 dBWs/K = 46,6 dBHz Der R¨uckkanal ist ca. 6 dB weniger kritisch als der Outbound-Kanal. 10.6.3 Thuraya Das System aus Abu Dhabi startete erfolgreich mit einem GEO Mitte 2000, in dem Jahr der Bankrotterkl¨arungen von IRIDIUM und GlobalStar. Thuraya Satellite Telecomnunications Co. ist ein regionales System, das satellitengest¨utzte Telephonie in einer Region von 99 Staaten anbietet. Das System wurde 1997 in den VAE von einer Gruppe von Telecom Operators (einschl. DETECON) und internationalen Investoren begr¨undet. Das Turnkey Project wurde von Boeing Satellite Systems (ehedem Hughes) gebaut. Der Thuraya-1 Satellit wurde mit einer Sea Launch Zenit-3SL vom ¨ Aquator in der Mitte des Pazifiks am 21. Okt. 2000 gestartet, der schwerste Kommunikationssatellit bis heute. Die Missionsdauer des auf 44◦ O positionierten Satelliten ist 12 bis 15 Jahre. Ein zweiter Satellit im Orbit vergr¨ossert die Systemkapazit¨at und ein Reservesatellit steht am Boden bereit. Der prim¨are Gateway ist Sharjah, VAE, f u¨ r die gesamte Region, zus¨atzliche Gateways sind vorgesehen und im Bau.

370

10 Personal Communications Services

Man erwartete ca. 400 000 Kunden im ersten Jahr und 2 Mio insgesamt. Die Thuraya Handys empfangen auch GSM und GPS. Satellit und Streckenbilanz sind a¨ hnlich wie die von Garuda.Die Handys orten sich mit GPS.Wie schon INMARSAT4 und Garuda strahlt der Satellit etwa 200 Zellen (genau 280) am Boden an, so dass enorme Frequenzwiederverwendung stattfindet und die paar MHz Bandbreite im L/S-Band virtuell zu etwa 200 MHz werden. Die Bitrate pro Zelle ist 132 kb/s in 150 kHz bzw. 192 kb/s in 222 kHz. Mit zwei geduplexten Kan¨alen werden 384 kb/s angeboten, Bitraten a¨ hnlich wie INMARSAT-IV. Thuraya kann 15 000 Gespr¨ache gleichzeitig handhaben. Die Satelliten speisen bei 9 kW Prim¨arleistung etwa 1 kW in die Antenne. Die Nutzlast hat eine redundant ausgelegte bordseitige Vermittlung – die Verbindungslogik und Exekution finden im Satelliten statt – bei Inmarsat ist die Logik am Boden, nur die Schalter sind im Satelliten. Die Dienste: – – – – – – – – –

Daten und Fax: 2,4 bis 9,6 kb/s Messaging: SMS Short Messaging Service Location Determination – mit GPS, auf 100 m genau Calling Line Identity (CLI, Anrufer-Nummeranzeige) Call Forwarding (Anrufweiterleitung) Conference Call (Telefonkonferenzen mit mehreren Teilnehmern) Call Waiting (Anklopfen) Call Hold (put call on hold, call third party, then switch between the 2) Notrufe ohne SIM Card (Sie werden mit der n¨achsten Polizei, Hospital oder Feuerwehr verbunden)

In der etwa ein Drittel des Globus u¨ berdeckenden Region wird Thuraya das Leben der Menschen dort a¨ ndern und sie in ihrer Arbeit unterst¨utzten. Thuraya l¨asst die Nutzer das terrestrischen GSM nutzen und schaltet sich ein, wenn kein GSM verf u¨ gbar ist. Thuraya ist auch in Deutschland zu empfangen. 10.6.4 MSV Die Mobile Satellite Ventures (MSV) der Fa. Motient Corp. (USA) baut ein Mobilfunksystem f u¨ r den amerikanischen Kontinent auf; mit drei geostation¨aren Satelliten f u¨ r die Kommunikation mit dem Handy. Die Investitionen f u¨ r MSV belaufen sich auf 1 Mrd. US$; das System soll 2008/2009 in Betrieb gehen. Die Funkfrequenzen sind im L-Band und erlauben 20 000 Gespr¨ache gleichzeitig. Hierzu dient eine Satellitenantenne mit 22,5 m Durchmesser (400 m2 Apertur). Die Zellen am Boden haben 500 km Durchmesser (bei 40◦ Breite). Die elektrische Leistung der Satelliten betr¨agt 11 kW. Trotzdem sehen sie nicht in jede Strassenschlucht; hierzu werden Hilfssender (Ancillary Terrestrial Components; ATC) eingesetzt – 7 000 allein in den USA. Die Kosten der Handys sollen bei denen von GSM Handys liegen.

10.7 Zusammenfassung

371

10.7 Zusammenfassung Mit dem pers¨onlichen Handy der Global Personal Communications k¨onnen Gespr¨ache mit anderen Handys weltweit gef u¨ hrt werden,und nat¨urlich sind Gespr¨ache mit den weltweit 1 000 000 000 ortsfesten Telefonen (¨offentlichen W¨ahlnetzen) m¨oglich und auch mit den Teilnehmern in den verschiedenen Mobilfunknetzen. Der Nutzer kann mit seinem Handy das Global Personal Communications von u¨ berall auf der Welt anw¨ahlen (Global Roaming) und auch u¨ berall erreicht werden. Die ETSI standardisiert die Luftschnittstelle auf der Basis von GSM, so dass die Satelliten-Handys kosteng¨unstig und weltweit interoperabel werden. Global Personal Communications k¨onnen in hoch entwickelten Regionen die Infrastruktur komplementieren und den Nutzer w¨ahlen lassen zwischen verschiedenen Diensteanbietern, unterschiedlichen Diensten, Mehrwertdiensten und Tarifen. Global Personal Communications via Satellite hat den Vorteil gegen¨uber GSM, dass die wenigen Satellitenstationen beliebig versteckt werden k¨onnen (einschiesslich ihrer Verbindung mit dem ortsfesten Telefonnetz), w¨ahrend die (vielen) Mobilfunk-Sendemasten auf exponierten Erh¨ohungen in Stadt und Landschaft errichtet werden m¨ussen, um die notwendige Reichweite zu erzielen. In Regionen unterentwickelter Infrastruktur bieten Global Personal Satellite Communications ein erschwingliches Substitut zu ortsfesten Telefonnetzen, das sofort verf u¨ gbar und beim Aufbau nationaler Volkswirtschaften instrumental sein kann. W¨ahrend der Erstanschluss eines ortsfesten Telefons ca. 2 500,- € kostet, liegt ein Handy-Anschluss heute bei unter 1 000,- €, selbst mit Umsonst-Handys. Insbesondere in Europa, in Regionen mit fl¨achendeckenden Zellularnetzen (C, D1, D2, E+ und E2 in Deutschland) rechnet man nicht mit einem grossen Markt f u¨ r Big LEO-Services. Aus dem gleichen Grund gibt es in der Dritten Welt schon einen Bedarf – immer da, wo keine terrestrische Infrastruktur vorhanden ist und auch nicht aufgebaut werden kann, weil sie teuer ist, aber kein Geld da ist, weil keine Wirtschaft existiert und keine Wirtschaft existiert, weil verf u¨ gbare Kommunikation f u¨ r sie conditio sine qua non ist, und die Katze beisst sich in den Schwanz. Das Problem ist: Bedarf ist nicht gleich Markt, denn Markt beinhaltet Bedarf plus verf u¨ gbares Geld, um den Bedarf zu befriedigen. Klassische wie moderne Telekommunikationsdienste werden vom geostation¨aren Orbit aus betriebswirtschaftlich bedient. In der Zeit des „Neuen Marktes“ wurden auch umlaufende Satelliten (LEOs) angeboten – ohne betriebswirtschaftlichen Erfolg. Diese LEOs unterscheidet man in Little LEOs (die nur Daten u¨ bermitteln), Big LEOs (auch f u¨ r Sprach¨ubertragung) und Mega LEOs (f u¨ r den Transport von MB/s) wie in Tabelle 10.11. Das Datenspeichern und Weiterleiten (Store-&-Forward) der Little LEOs ist in vielen Anwendungsbereichen sinnvoll (siehe VITA und ARGOS). Manche der Big LEO-Systeme bieten gleichzeitig Little LEO-Dienste an (IRIDIUM, Gonets). Die ¨ Ubertragung von Kurznachrichten (Short Messaging Service; SMS) u¨ ber Low Earth Orbiting Satelliten (Little LEOs) wird heute f u¨ r Point-of-Sales Transactions, Credit Card Verification, Container Tracing, Vehicle Position Reporting, Meter Readings,

372

10 Personal Communications Services

Tabelle 10.11 Zusammenstellung der Little LEO-, Big LEO- und Mega LEO-Attribute Typus Dienst Little LEOs Store-&-Forward Data; E-Mail, Meter Readings Big LEOs Personal Communications (in Echtzeit) Mega LEOs Computer- und Multimediacommunications

FSS/MSS Frequenzband meist ortsfest 140 & 440 MHz (UHF) Mobilfunk 1.6 & 2.3 GHz (L- & S-Band) nur ortsfest 20/30 GHz (Ka-Band)

Orbit Elliptisch (HEO) Zirkular, HEO & ICO Zirkular, HEO

Emergency and Catastrophy Communications, Remote Sensing Data Collection und eine Anzahl von neuen Anwendungen eingesetzt. Die Big LEOs (IRIDIUM, GlobalStar) werden im Wesentlichen von der o¨ ffentlichen Hand (den DoDs) genutzt und finanziert, und diese Systeme waren im Irak gefragt, wo die westlichen Invasoren wenig andere Infrastruktur vorfanden. Die MEGA LEOs (Teledesic, mit urspr¨unglich 840 Satelliten, sp¨ater reduziert auf 288) f u¨ r High speed data to internet the personal computers of this world um Gbits/s to the home oder direct to office zu transportieren – wurden nicht realisiert. Daneben wurden geostation¨are Zeppeline f u¨ r Worldwide Web Access, Video Conferencing und Data Services (im 47 GHz-Band) vorgeschlagen, von denen auch noch keiner in den Wirkbetrieb gegangen ist. Gleichzeitig ist eine bemerkenswerte Renaissance des geostation¨aren Orbits f u¨ r Personal Communications (PCS) zu beobachten, und auch sowohl Little Services als auch Big Bit-Rate Services sind zum GEO zur¨uckgekommen. Sie sind in einer wachsenden Wirtschaft unersetzbar. Auch der Direct Video Broadcast (DVB) wurde erfolgreich im geostation¨aren Earth Orbit (GEO) etabliert, in Europa, Mittel- und S¨udamerika und Asien, und a¨ hnlich wird auch Telefonie vom GEO abgestrahlt, direkt in die Kleinterminals. F¨ur diese Dienste mit Mega-Bitraten wurden international u¨ ber 100 GEOs angemeldet, die ihre Dienste, im Ka-Band, in den n¨achsten drei Jahren aufnehmen sollen – die meisten unter US-Kontrolle und mit weltweiter Abdeckung. GEOs konzentrieren ihre Ausstrahlung auf das Zielgebiet, w¨ahrend LEOs 71% der Zeit u¨ ber Wasser fliegen und 79% der verbleibenden Zeit u¨ ber unbewohnte Landmassen, somit also 94% der Zeit ohne Verwendung sind. Es gibt heute in den USA Anmeldungen f u¨ r Satellitensysteme im Wert von ca. 34 Mrd €. Insgesamt u¨ berschreitet der weltweite Umsatz in der Raumkommunikation 60 Mrd € pro Jahr und w¨achst mit ca. 20% pro Jahr. Im GEO werden auch Ortungssysteme betrieben (alle derzeitigen Ortungssysteme, die Geld verdienen, sind im GEO und arbeiten im Ku-Band).Auch GNSS2, ein MEO System, wird GEOs beinhalten, unterst¨utzt von inklinierten, geo-synchronen Orbits (IGSOs), die regional aufgebaut, dann aber globalisiert werden. Die erreichbaren Genauigkeiten liegen im 1 m-Bereich. Kommerzielle Satelliten werden auch die betriebsbedingte Kommunikation mit dem Vehikel anbieten. Mit der Digitalisierung werden die verschiedenen Dienste zusammenfliessen, ortsfeste Telefonie mit Fernsehverteilung (s. ASTRA), ortsfeste und mobile Kom-

10.7 Zusammenfassung

373

munikation (s. INMARSAT), kommerzielle und wehrtechnische Kommunikation (siehe Golf-Kriege). Diese Entwicklung ist nicht nur durch regulatorische Voraussicht sondern auch durch den Druck der Verbraucher entstanden. Europa war dabei nicht gerade der Motor,ist aber inzwischen auf den Zug aufgesprungen.Es geht um dieVerf u¨ gbarkeit der Breitbanddienste, aber auch um den industriellen Anteil an den Satellitensystemen und dem (um den Faktor 1 000 gr¨osseren) Bodensegment. Allein die Satellitenortung stellt einen weltweiten Umsatz von 50 Mrd € in 2006 und die Schaffung von 100 000 Arbeitspl¨atzen dar. Die Zukunft geh¨ort wieder zunehmend den GEOs und HEOs,f u¨ r Little-,Big- und Mega-Services. Die LEOs sind eine (kostspielige) Modeerscheinung. Es gibt wenig Gr¨unde, hunderte von LEOs zu fliegen, da mit drei GEOs die ganze Erdoberfl¨ache ausgeleuchtet (ohne die Pole) bzw.mit f u¨ nf IGSOs die ganze Erde einschliesslich der Pole erfasst werden kann. Die Vorstellung, ein LEO k¨ame mit weniger Sendeleistung aus, stimmt nicht (Kap. 10.1.2). Wenn in Zukunft die technisch-taktische Forderung des System¨uberlebens trotz Zerst¨orung einer Teilmenge des Raumsegmentes durch den Gegner (diese Forderung f u¨ hrte zur LEO-Konstellation) nicht mehr im Vordergrund steht, bleibt kein Grund f u¨ r die Tiefflieger, mit der Komplexit¨at der Handover der Gespr¨ache alle 90 sec – die Kosten f u¨ r die Gespr¨achsminute sind in Tabelle 10.8 gezeigt. Eine wesentliche Trendwende geschieht in der Entsorgung der Satelliten. Haben die Betreiber bislang die Satelliten ins All geschossen und „vergessen“, sie zur¨uckzuholen, nachdem sie ausgedient hatten, so ist IRIDIUM das erste System, das Treibstoff f u¨ r die R¨uckbringung der Satelliten vorsieht (s. auch Kap. 2, „Die Entsorgung von Satelliten“). In der Klasse der Mega-Services sind LEO-, HEO- und GEO-Systeme angek¨undigt.Auch hier erhebt sich die Frage,ob ein LEO-System f u¨ r 12 Mrd € oder ein HEO gleicher Kapazit¨at f u¨ r 1,2 Mrd € das betriebswirtschaftliche Rennen machen

Abb. 10.10 Die Entwicklung der Satellitensystemarchitektur von Intelsat-1 bis heute

374

10 Personal Communications Services

wird. Sicherlich sind die Personal Communications, der Mobilfunk fu¨ r Jedermann, die wesentlichste Innovation des 20. Jahrhunderts. Es l¨asst uns kommunizieren, regional oder international – mit demselben Ger¨at, ohne geographische Grenzen. Mit einer pers¨onlichen Nummer, die einen Menschen, nicht ein St¨uck Plastik identifiziert, und einem Telefon, das so klein und leicht ist, dass es in die Hemdtasche passt. Mit der 22,5 m-Antenne auf MSV und der 30-m-Satellitenantenne ante portas erleben wir heute die Inversion der Systemauslegung, von der Stummelantenne auf dem Intelsat-1 (1964), mit der 30-m-Antenne am Boden hin zur 30-m-Antenne auf dem Satelliten (2008) und mit die Stummerlantenne am Handy (s. Abb. 10.10).

Literaturhinweise Bj¨orn Lillegraven,„The IRIDIUM Vision“, 5th International Conference on Satellite Communications; Budapest, 1997 David Montanaro, „The Teledesic System“, Kongress, „Sachsen in der Raumfahrt“, Leipzig, 1998 Hans Dodel, „A GlobalStar Overview“, 5th International Conference on Satellite Communications; Budapest, 1997 Joachim Speidel,„Mobilit¨at und Telekommunikation“, Tagungsband, H¨uthig, 1998 Gert Siegle,„Telematik im Verkehr“, H¨uthig, 1996 M.K. Williams,„The Final Analysis Case“, ITU-News, 08.1997, Geneva

11 Satellitenkommunikation in der Verteidigung

„Der Krieg ist der Vater aller Dinge, der Satellitenkommunikation und des Internet“ Die Weltraumrakete ist eine milit¨arische Entwicklung f u¨ r das Abwerfen von Bomben. Die Satellitenkommunikation entstand in den Verteidigungssektoren der Sowjet Union und der USA.Die Sowjet Union startete den ersten Satelliten und danach auch die meisten der folgenden Satelliten; sie brauchten aber 38 Satellitenstarts, bis sie 1965 auf die Idee kam, den ersten Kommunikationssatelliten zu starten, und dies nur, weil die USA, die Nummer Zwei im Weltraum, in der unbemannten wie der bemannten Raumfahrt (Major Yuri Gagarinxxx) war. Mit ihrem Pr¨asidenten John Fitzgerald Kennedy hatten sie 1963 die Relevanz des Weltraums als Kommunikationstr¨ager erkannt und begonnen, Satelliten auch f u¨ r Kommunikation zu betreiben. Die R¨ustungsschmieden der USA tragen heute noch sehr wesentlich zum Fortschritt in der Raumfahrt und tangierenden Disziplinen wie der Computertechnik, den Materialwissenschaften etc. bei. Die Abb. 11.1 zeigt den gr¨ossten Fernmeldesatelliten, der zu seiner Zeit gebaut wurde, den 4,7 t schweren MILSTAR.

Abb. 11.1 Der geostation¨are MILSTAR der US Streitkr¨afte

376

11 Satellitenkommunikation in der Verteidigung

Die Wehrtechnik hat die Satellitenkommunikation begr¨undet und ist in den USA heute noch der Motor der Entwicklung. Schliesslich hat der US-Verteidiger (in den 70er Jahren) die Relevanz der vernetzten Kommunikation erkannt, das INTERNET konzipiert und es konsequent aufgebaut. In Europa betreiben ein halbes Duzend Staaten eigene Satelliten-Kapazit¨at f u¨ r ihre Streitkr¨afte oder lassen es betreiben. Die europ¨aische Industrie ist im Stande, solche Satelliten zu bauen. Heute nutzen die US Streitkr¨afte einen Wildwuchs an eigenen Satelliten, mehrheitlich aber kommerzielle Satellitenkapazit¨at, insbesondere in Konfliktgebieten (Golf Krieg, Somalia, Jugoslawien, Afghanistan, Irak). INTELSAT, NewSkies, HisDeSat und X-Star-EUR (beide Spanien) bieten Transpondermieten im milit¨arischen Frequenzspektrum an: Weitere Betreiber versuchen zunehmend, in diesem Gesch¨aft Fuss zu fassen.

11.1 Frequenz- und Orbitalzuweisungen F¨ur milit¨arischen Fernmeldeverkehr und die Kommunikation bei Blauhelmeins¨atzen der UN verwendet man sowohl milit¨arische als auch kommerzielle Satellitenkapazit¨at. Tabelle 11.1 zeigt die f u¨ r milit¨arische Kommunikation zugewiesenen Frequenzb¨ander. Tabelle 11.1 F¨ur wehrtechnische Satellitenkommunikation zugewiesene Frequenzb¨ander UHF ∫ 0,230–0,312 GHz UHF  0,312–0,328 GHz UHF ∫ 0,335–0,400 GHz SHF ∫ 7,250–7,750 GHz SHF  7,900–8,400 GHz SHF  13,75–14,00 GHz EHF ∫ 20,20–21,20 GHz

EHF ∫ 25,50–27,00 GHz EHF  30,00–31,00 GHz EHF ∫ 39,50–40,50 GHz EHF  43,50–47,00 GHz EHF  47,20–50,20 GHz EHF  50,40–51,40 GHz EHF  71,00–75,50 GHz

EHF ∫ 81,00–84,00 GHz EHF  92,00–100,0 GHz EHF ∫ 134,0–142,0 GHz EHF  190,0–217., GHz EHF ∫ 231,0–241,0 GHz EHF  252,0–275,0 GHz EHF > 300,0 GHz

Die Summe der f u¨ r die Verteidigung und Blauhelmeins¨atze zugeteilten Frequenzen betr¨agt ca.100 GHz,mehr als diese Non Civil Services in der Praxis aktiv verwenden. Die Streitkr¨afte setzen zunehmend kommerzielle Satellitensysteme insbesondere auch bei ihren Eins¨atzen zu friedenserhaltenden Massnahmen ein. Im Anhang A sind die milit¨arisch angemeldeten GEO-Positionen aufgelistet (Stand 2005). Die USA und Russland haben hier Orbitalpositionen im Mittel alle 10◦ platziert, rund um den Erdball. Das MILSTAR-System der USA verbindet die Satelliten u¨ ber Inter Satellite Links (ISL), so dass die globale Beherrschung nicht von der Verf u¨ gbarkeit nicht-amerikanischer Bodenstationen oder Netze abh¨angt. Die Joint Chiefs of Staff der USA sehen die M¨oglichkeiten der modernen Kriegsf u¨ hrung im Informationszeitalter in Abh¨angigkeit der Informationsverf u¨ gbarkeit. Das Global Broadcasting System (GBS) wird die Information weltweit verteilen (so wie GPS die Position ermittelt), und im Verbund von GBS und GPS

¨ 11.3 Ubertragungsverfahren und Protokolle

377

„MILSTAR reflects both the cooperative spirit of joint operations and the magnificent information age warfighting advantages available as Armerica’s worldwide interests are protected“. Dabei unterscheidet das Pentagon die Dienstekategorien (i) den strategischen und Breitbandverkehr, (ii) den taktischen nd Mobilverkehr und (iii) den strahlungsfesten Last Straw-Verkehr. Beispiele f u¨ r die Kategorie (i) sind die DSCS- und MILSTAR-Systeme und f u¨ r (ii) die nationalen Satelliten einschl. FLTSATCOM (US-Luftwaffe, Marine).

11.2 Wirtschaftliche Raumsegmente Nach Ende des kalten Krieges haben die USA das milit¨arische Raumsegment verst¨arkt nach wirtschaftlichen Gesichtspunkten ausgew¨ahlt. 1992 hat die COMSAT im Auftrag des amerikanischen Verteidigers untersucht, wie kommerzielle Satelliten statt rein milit¨arischer f u¨ r nationale Missionen eingesetzt werden k¨onnen. Das Resultat zeigte eine F¨ulle von Situationen, in denen kommerzielle Systeme nicht nur ebenso tauglich sondern auch wirtschaftlicher sind, und dies u¨ berraschte nicht bei der langen Tradition der kommerziellen Satellitensysteme im Einsatz der Verteidigung. Schon vor MARISAT bedienten sich die US-Streitkr¨afte kommerzieller Systeme. MARISAT war ein grosser Erfolg. Nie zuvor hatte die amerikanische Marine so effizientes, zuverl¨assiges und kosteng¨unstiges Raumsegment. Und sp¨atestens im Golfkrieg wurde deutlich, dass internationale Milit¨areins¨atze ohne kommerzielle Transponderkapazit¨at nicht durchf u¨ hrbar sind. Es ist betriebswirtschaftlich sinnvoll, so weit wie sicherheitstechnisch m¨oglich auf kommerzielle Kapazit¨aten zur¨uckzugreifen.Seitdem mieten die US-Streitkr¨afte durchgehend (zwei) Transponder von INTELSAT, mit der Option auf vierzig weitere. Ausserdem werden Transponder auf GE/Americom/SATCOM angemietet. Bereits vor dieser Entscheidung im Jahr 1990 hatte die US-Navy bei der kommerziellen MARISAT zwei Transponder angemietet (seit 1976), und der u¨ berwiegende Teil der Kommunikation w¨ahrend des Golfkrieges (1991) wurde u¨ ber kommerzielle Satelliten (INTELSAT, INMARSAT, ARABSAT, USA-Sat etc.) gef u¨ hrt.

 11.3 Ubertragungsverfahren und Protokolle ¨ Die digitale Ubertragungstechnik verwendet mehr und mehr Rechner und Prozes¨ soren f u¨ r die Steuerung und Abwicklung der Ubertragung. Die dabei zum Einsatz kommenden Verfahren und Protokolle werden als Programme f u¨ r diese Rechner realisiert. Sowohl der Entwurf als auch die Implementierung dieser Software stellt anspruchsvolle Aufgaben, ein Spezialgebiet zwischen Informatik und Nachrichtentechnik. Alle Standardisierungsbestrebungen gehen heute von einem in einzelne Schichten gegliederten Modell aus, dessen unterste Ebene die Hardware des Rechners bzw.

378

11 Satellitenkommunikation in der Verteidigung

¨ Ubertragungssystems ist.Von Ebene zu Ebene geht die Abh¨angigkeit von der speziellen Hardware zur¨uck und die anwendungsbezogenen Merkmale treten deutlicher hervor. Man kann vier unterschiedliche Typen von Netzen und Netzprotokollen un¨ terscheiden, die jeweils an ein spezielles Ubertragungssystem gebunden sind: – – – –

die speichervermittelten Paketnetze wie X.25 die Local Area Networks (LAN) wie Ethernet die Packet Radio-Netze im Funkkanal die satellitengest¨utzten Netze.

Bei den satellitengest¨utzten Netzen stehen heute noch station¨are Eins¨atze im Vordergrund, bei den digitalen Paketfunknetzen (Packet Radio) dagegen der mobile. Sowohl Entwurf von Verfahren und Methoden als auch deren Realisierung und praktische Erprobung werden unter diesem Titel betrieben (Protocol Engineering). Bei den Satellitennetzen werden vorwiegend Probleme untersucht, die im Anwendungsbereich der Gesch¨aftskommunikation entstehen. Typisch ist, dass es ¨ sich meist um die Ubertragung und Vermittlung von Daten zwischen intelligenten Endger¨aten und Rechnern handelt. Spezielle Anforderungen werden an dynamische, lastabh¨angige Zugriffsverfahren auf den Satellitenkanal gestellt. ¨ Der Ubergang von Satelliten zu terrestrischen Netzen unterschiedlicher Architektur stellt ein weiteres Aufgabengebiet im Bereich Protocol Engineering f u¨ r die Interoperabilit¨at von Netzen dar. Bei der Kopplung heterogener Netze treten nicht nur Anpassungs- und Schnittstellenprobleme auf, sondern auch neue Aufgaben wie beispielsweise die Transformation von Protokollen, die in eigenen Rechnern, den sog. Gateways oder f u¨ r die h¨oheren Protokollebenen auch in dienstorientierten Server-Rechnern abgewickelt werden. Bei den Paketfunknetzen stehen, neben der Forderung nach robusten Kanalzugriffsverfahren vor allem die Entwicklung von Protokollen und Verfahren zur Wegeauswahl und zur dynamischen Rekonfiguration des Netzes im Vordergrund. Dabei spielt f u¨ r den mobilen Einsatz die rasche Ver¨anderung der Netztopologie eine bedeutende Rolle.

11.4 Betriebssicherheit und Countermeasures In jeder Auflistung der Attribute ist erw¨ahnt, dass der Satellit verletzbarer ist als ein in der Erde eingegrabenes, geh¨artetes Kabel: Wie kann man Satellitenbetrieb st¨oren: 11.4.1 Abschuss des Satelliten Die M¨oglichkeiten des Angriffes auf einen Satelliten beginnen am Boden, bei der Fertigung und sp¨ater beim Launch; diese Angriffe sind aber nur im Kriegsfall denkbar. Die n¨achsten M¨oglichkeiten bieten sich im Transfer Orbit und dann im endg¨ultigen Zielorbit, der am schwersten zu erreichen ist. Der Abschuss eines Satelliten im Transfer Orbit braucht weniger Energieaufwand, ist aber ungleich schwerer zu planen und durchzuf u¨ hren.

11.4 Betriebssicherheit und Countermeasures

379

Railguns Der Abschuss von Satelliten vom Boden aus ist leistungsaufwendig und der Beobachtung durch den Gegner ausgesetzt. Es k¨onnen jedoch auch Smart Bullets von Railguns auf z.B. 40 km/s elektromagnetisch beschleunigt und w¨ahrend sie in der Umlaufbahn sind auf einen Satelliten abgeschossen werden. Diese w¨aren schwer aufzuhalten und sie sind so schnell, dass ein Ausweichen des Satelliten operationell unm¨oglich ist. Nuklearattacken gegen Satelliten Die schlimmste Attacke auf einen Satelliten ist eine Nuklearexplosion in Proximit¨at. Dabei werden die Elektronen von den Atomkernen getrennt; die frei fliegenden Elektronen bilden einen elektronmagnetischen Impuls (Nuclear Electo-Magnetic Puls, NEMP), der sich anderen elektrischen Str¨omen u¨ berlagert und damit die Elektronik still legt. So kann die Z¨undung einer Nuklearbombe auch in gr¨osserer Entfernung vom Satelliten auf Grund der grossr¨aumigen Zerst¨orf¨ahigkeit dieser Waffe einen Satelliten ausser Gefecht setzen. Die Gefahr ist speziell bei LEOs gegeben, die ein Schurkenstaat mit einer Nukleardetonation vernichten oder sie als strategisches Ziel milit¨arischer Erpressung benutzen kann. Auch eine einfache Rakete kann eine Atombombe in ein paar hundert Kilometer H¨ohe bringen und ein einfacher Timer kann sie z¨unden. Der Schurkenstaat k¨onnte sogar behaupten, es habe sich um einen Teststart gehandelt. Gegenmittel sind hohe Orbits und die H¨artung des Satelliten (Nuclear Hardening): – – – – – –

Elektronik in sch¨utzende Bleigeh¨ause Verwendung spezieller Elektronik und geeigneter Halbleiter Nanotechnologie – Leiterbahnen < 100 ns d¨unn auf den Chips Opto-Koppler zur galvanischen Trennung der Ger¨ate Optronik statt Elektronik soweit m¨oglich Laser Links, Photonen statt Elektronen.

Die Kosten der H¨artung sind sowohl hohe Ger¨atekosten, aber auch deutlich h¨ohere Startkosten auf Grund der h¨oheren Masse, die durch die Einh¨ullung der Elektronik in Bleigeh¨ause entsteht und anderer Massnahmen. Die Grenzen der N¨utzlichkeit der Nuklearh¨artung sind gegeben durch die Besch¨adigung der Antenne(n). Durch die Explosion werden Sende- und Empfangsantenne am Satelliten getroffen oder im Falle von Parabolantennen auch nur verbeult und sind dann funktionsunt¨uchtig und der Satellit damit ausser Gefecht (ein Totalschaden), selbst wenn die Elektronik oder Optronik noch funktioniert. Zusammenfassend: – Ein NEMP kann die Elektronik still legen und so Kommunikation, Telemetrie und Kommando des Satelliten ausser Gefecht setzen, – Ein NEMP kann zus¨atzlich auch mechanischen Schaden anrichten, insbesondere an den Satellitenantennen (sind die Antennen nach der Explosion deformiert, verliert auch die in Blei gepackte Elektronik ihren Sinn).

380

11 Satellitenkommunikation in der Verteidigung

 Nuklearattacken gegen die Ubertragung Neben der nuklearen Einwirkung auf den Satelliten (EMP) sind auch nukleare Ein¨ wirkungen auf die Ubertragungsstrecke zu ber¨ucksichtigen (s. Kap. 11.4.3; „Wahl der Hochfrequenz“). Konstellationen Die Star-Wars-Idee von 1987 war, mit Brilliant Pepples die Zahl der Nutzsatelliten so hoch zu setzen, dass bei einem Kostenverh¨altnis Nutzsatellit/Killersatellit von 10/1, die Nutzsatelliten aus Gr¨unden der Betriebswirtschaftlichkeit u¨ berleben. Es ist f u¨ r den Gegner finanziell schwer m¨oglich, 200 Billigsatelliten abzuschiessen. ¨ Diese Uberlegung f u¨ hrte zu den Konstellationen.Die Konstellationsgr¨osse muss dem Einsatz so entsprechen, dass der Wegfall einzelner Flugeinheiten nicht zum Ausfall einer Verbindung f u¨ hrt; multiple Strecken u¨ berleben den Ausfall. Geiselsatelliten Wenn die Nutzlast huckepack auf kommerziellen Satelliten (z.B. INTELSAT) mitfliegt, wird auf Grund der damit verbundenen Erh¨ohung des politischen Schwellenwertes eine Sicherheitserh¨ohung erzielt: der Gegner wird nicht leichtfertig einen internationalen Satelliten abschiessen. Abschuss von Satelliten erfolgt nur im Kriegsfall; wirtschaftlich effektive Kommunikation zum Betrieb von Streitkr¨aften ist aber auch im Frieden und insbesondere in der Krise wichtig. Sehr hoch fliegende Satelliten Man kann Satelliten auch in Bahnen h¨oher als der geostation¨aren fliegen, und es ist ungleich schwerer, sie dort zu besch¨adigen. Gleichzeitig erlaubt die gr¨ossere Flugzeit des Killer-Satelliten, ihn zu detektieren und seinen Abschuss einzuleiten. 11.4.2 Sto rung des Satellitenbetriebs Die effektivste Aussergefechtsetzung w¨are, den Satelliten abzuschalten oder aus der Bahn zu kommandieren. Dagegen wird sichere Chiffrierung der Kommandos verwendet – und noch l¨angere Schl¨ussel f u¨ r das Abschalten des Satelliten (wie dies schon bei zivilen Satelliten getan wird). Im Kriegsfalle schaltet man den Kommandoempf¨anger ab – die Satelliten arbeiten dann 60 Tage und l¨anger voll autark. Es ist m¨oglich, den Betrieb der Bodenstationen zu st¨oren oder sie zu zerst¨oren. Dagegen versteckt man sie in einer Bodensenke vor terrestrischen Attacken. 11.4.3 Sto rung der Satellitenu bertragung Eine Funkstrecke kann durch St¨orer beeintr¨achtigt werden (Jamming), im ¨ schlimmsten Falle die Ubermittlung sogar durch Entsendung von Pseudonachrichten (Spoofing) get¨auscht werden.

11.4 Betriebssicherheit und Countermeasures

381

Detektion St¨orsender m¨ussen hinreichend starke Signale auf die Strecke richten, die detektierbar sind. Der Jammer kann detektiert und zur Abschaltung „¨uberredet“ werden. Spread Spectrum Modulation Eine weitere M¨oglichkeit, das Signal gegen St¨orer zu sch¨utzen, ist es in der Hochfrequenz zu spreizen (s. Abb. 11.2). Ein St¨orer u¨ berlagert das gespreizte Signal.

Abb. 11.2 Die Bandspreizung mit Pseudozufallsfolgen (PN-Folgen)

Das Empfangssignal wird mit exakt derselben PN-Folge, mit dem Sender bitgenau synchronisiert, gemischt, und der Empf¨anger gewinnt das f u¨ r ihn bestimmte Signal zur¨uck. Gleichzeitig wird das St¨orsignal durch die Multiplikation am Empf¨angereingang (durch die das Nutzsignal entspreizt wird) gespreizt, und damit in der Leistungsdichte reduziert. In der folgenden Bandpassfilterung passieren das (nun) schmalbandige Nutzsignal und der kleine Anteil des St¨orsignals, der innerhalb der Filterbandbreite des Nutzsignals liegt. Das resultierende Signal/St¨orleistungsverh¨altnis ist proportional zum Bandspreizfaktor. F¨ur eine gegebene St¨orung kann durch Dimensionierung des Bandspreizfaktors ein gew¨unschtes Signal/Rauschleistungsverh¨altnis erzielt werden. Effektive Bandspreizfaktoren liegen im Bereich 1:1 000 000, darunter ist der erw¨unschte Effekt minimal. Im Gegensatz zur Sequenz-Modulation, bei der St¨orunterdr¨uckung durch Verschmierung der St¨orleistung erreicht wird, bezieht das Frequenzsprungverfahren seine St¨orunterdr¨uckung dadurch, dass der St¨orung des Gegners durch kontinuierliches Ausweichen auf andere Frequenzkan¨ale ausgewichen wird. Je gr¨osser die Anzahl der Frequenzkan¨ale und je schneller die Frequenzspr¨unge, desto geringer der St¨oreinfluss. Die Verweilzeit auf einer Frequenz muss so kurz wie m¨oglich sein (im Limit ein Bit pro Sprung; Stand der Technik ≈1 s), schon auch deshalb, um ¨ die Ubertragung undetektierbar zu halten. Begrenzer Eine einfache Massnahme und ein guter Schutz gegen St¨orer: Man f u¨ gt im Transponder einen Begrenzer (Hard Limiter) ein, der so dimensioniert ist, dass er

382

11 Satellitenkommunikation in der Verteidigung

das eigene Signal unbehelligt durchl¨asst, dass u¨ ber diese Leistung hinausgehende St¨orsignal aber auf diesen Leistungspegel begrenzt (s. Abb. 11.3). Wenn das eigene Signal nun durch geeignete Codierung und Modulation soweit st¨orresistent ist, dass es dieser Gef¨ahrdung „auf Augenh¨ohe“ widersteht, ist die ¨ Ubertragung nicht beeintr¨achtigt.

Output

nichtlinearer Bereich

linearer Bereich

Begrenzer-Input

Abb. 11.3 Die Begrenzerfunktion

Wahl der Hochfrequenz Die Auswirkungen nuklearer Explosionen in der Atmosph¨are sind auf die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen wesentlich schw¨acher bei EHF: w¨ahrend die Ionosph¨are nach einer Nuklearexplosion f u¨ r Wochen den Betrieb im 7/8 GHz (SHF) behindert, sind die Frequenzen bei 20/40 GHz (EHF) nach Minuten wieder verwendbar. Die EHF-B¨ander sind ausserdem heute (noch) weniger genutzt als SHF; ¨ dadurch ist der Einsatz extremer Bandbreiten fu¨ r Spread Spectrum-Ubertragungen und ohne Interferenz mit anderen Stationen m¨oglich; zusammen mit einer Signalrekonstruktion an Bord des Satelliten durch einen Bordrechner (On Board Processing) wird das System wesentlich robuster. F¨ur die Kommunikation mit U-Booten gelten andere Kriterien, insbesondere die Wassereindringtiefe. Im L¨angswellenbereich (VLF; 10 kHz) ereicht man bis zu 100 m, von dem hellgr¨unen Laser werden mehr als 100 m berichtet. Codierung und Spoofing Zur Entlarvung von Pseudonachrichten (Spoofing) k¨onnen Kryptographie (Codie¨ rung) und insbesondere auch Ubertragungsprotokolle eingesetzt werden.  Bedrohungsadaptive Ubertragung Fr¨uh in der zivilen Satelliten¨ubertragung wurden Modems eingesetzt, die die ¨ Ubertragungsrate dem Kanalzustand dynamisch anpassten. Bietet der Kanal eine niedrige Fehlerrate, erh¨oht das Modem die Bitrate; verschlechtert sich der Kanal, reduziert es die Bitrate. Durch die Reduzierung der u¨ bertragenen Bitrate erh¨oht

11.5 Vernetzung und Interoperabilit¨at

383

sich die verf u¨ gbare Sendeleistung pro verbleibendem Bit. Dies kann sukzessive durchgef u¨ hrt werden, bis die Restbitrate auf z.B. 50 bit/s zur¨uckgenommen wurde. Zur Ermittlung des Kanalzustandes wird die Bitfehlerrate verwendet, die am Empfangsmodem (im Decodierger¨at, in Echtzeit) gemessen wird; diese wird als Steuersignal zur Sendeseite geleitet. Auch intelligente Facsimileger¨ate wurden so seit den 70er-Jahren in terrestrischen Netzen betrieben. ¨ Abbildung 11.4 veranschaulicht, wie im Bedrohungsfall sukzessive die Ubertragung von Unterhaltungsprogrammen unterbrochen wird, dann die Privatkommunikation der Truppe eingestellt wird, bei im verschlechterndem Kanalzustand die operationelle Kommunikation reduziert wird, so dass auf jeden Fall der „letzte ¨ Strohhalm“ von z.B. 50 bit/s zur Ubermittlung kriegswichtiger Informationen und zur Kommandogabe unter allen Betriebsbedingungen operationell bleibt.

Operational Fernmeldedienste

Last Straw Communications

Communications Social Communications Logistik

Operational Comm's,

Unterhaltungs

Social Comm's

programmme

Operational Comm's Vital-C. Bedrohungsausmass

Abb. 11.4 Der bedrohungsadaptive Lastabwurf

Fernmeldetechnisch hat der Lastabwurf einen Doppeleffekt: Zum Einen kann die ¨ ¨ Sendeleistung der abgeworfenen Ubertragung der verbleibenden Ubertragung zugeteilt werden und zum Anderen kann die freigewordene Bandbreite von der ver¨ bleibenden Ubertragung durch Erh¨ohung deren Coderate verwendet werden. Wird z.B. 50% des Verkehrs abgeworfen (-3 dB), kann die Sendeleistung des Verkehrs um 3 dB erh¨oht werden, die Coderate um 3 dB vergr¨ossert werden, und damit der Codegewinn um 3 dB bis 5 dB erh¨oht werden. ¨  3 dB Lastabwurf verbessert die Ubertragungssicherheit des verbleibenden Verkehrs um 6 dB und mehr.

11.5 Vernetzung und Interoperabilitat Die US-Streitkr¨afte haben in den vergangenen Jahren beachtliche Investitionen in Entwicklung, Beschaffung und Betrieb von satellitengest¨utzten Fernmeldesystemen f u¨ r spezifische Aufgaben get¨atigt. Die meisten dieser Systeme nutzen eigene,

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11 Satellitenkommunikation in der Verteidigung

dedizierte Satellitensysteme wie z.B. die getrennten Fernmeldesysteme der US Air Force und der US Navy, die Fleet Satellite Communications (FltSatCom). F¨ur zuk¨unftige Systeme wird jedoch eine flexiblere, wirtschaftlichere und insbesonders robustere L¨osung gefordert, die sowohl in Frieden, Krise und Konflikt voll funktionst¨uchtig ist. Dies erfordert die Interoperabilit¨at der Satellitenlinks, so dass das Spektrum von Nachrichten, Missionsdaten, Tracking- und Telemetriedaten, Command und Steuerdaten etc. u¨ bertragen werden kann, wobei zus¨atzlich gefordert wird, dass dies auch zwischen allen zuk¨unftigen Verteidigungssystemen m¨oglich sein muss. F¨ur die Erf u¨ llung dieser Aufgaben ist wichtig, dass die Syste¨ me hohe Verf u¨ gbarkeit und Uberlebensf¨ ahigkeit aufweisen, sich auf eine Vielzahl von Satelliten, Bodenstationen und Netzknoten abst¨utzen und diese integrierten ¨ Dienste sowohl f u¨ r ortsfeste als auch mobile Anwendungen bereitstellen. Ahnlich wie bei o¨ ffentlichen Netzen wird das zuk¨unftige Gesamtsystem aus einer Reihe interoperabler Einzelnetze bestehen. F¨ur die Satellitennetze bedeutet dies den Einsatz von Direktverbindungen zwischen Satelliten (Inter Satellite Links), scharf b¨undelnden Antennen (Spot Beams) und Vermittlungseinrichtungen an Bord des Satelliten (z.B. Satellite Switched TDMA). Im Notfall werden auch die kommerziellen Netze eingebunden. In Zukunft wird die Verkn¨upfung individueller Netze, das sog. Internetting, grosse Bedeutung erlangen, wobei auch hier die Forderungen nach hoher Verf u¨ gbarkeit, Zu¨ verl¨assigkeit und Sicherheit sowie Uberlebensf¨ ahigkeit bestehen bleiben. Entwurf und Konstruktion solcher interoperablen, dissimilaren Satellitennetze sind komplexe Aufgaben, die teilweise noch umfangreiche Entwicklungsarbeiten erfordern. Die wesentlichen Komponenten eines Fernmeldesatellitensystems sind: – der Satellit (Spacecraft) – die Bodenstationen (Earth Terminals) – die Fernmeldestrecken (Communication Links). Diese drei Segmente funktionieren sowohl einzeln wie auch als Gesamtsystem zufriedenstellend in einer normalen Umgebung; im Verteidigungsfall gilt dies jedoch ¨ nicht mehr; entsprechende Massnahmen f u¨ r die Uberlebensf¨ ahigkeit des Gesamtsystems m¨ussen getroffen werden. Daneben muss durch eine Mehrfachabst¨utzung ¨ des Fernmeldesystems eine Uberlebensf¨ ahigkeit garantiert werden. Dies bedeutet die volle Interoperabilit¨at zwischen unterschiedlichen Satellitensystemen, sowohl ¨ beim Ubertragungssystem als auch im gesamten Netzkonzept. Das operationelle Konzept f u¨ r diese Fernmeldesysteme geht davon aus, dass Mehrfachverbindungen zum Einsatz kommen, mit Inter-Satelliten-Strecken und auch Alternativstrecken u¨ ber terrestrische Netze. Unterschiedliche Fernmelde-Satellitensysteme und ihre mobilen und festen Bodenstationen k¨onnen durch direkte Leitungen verbunden werden,wobei die oberen Protokollebenen die eigentliche Problematik darstellen, die jedoch durch das INTERNET der DARPA gel¨ost wurden. Anders sieht es aus, wenn Fernmeldesatelliten direkt interoperabel sein sollen — dies erfordert eine Standardisierung der Satellitenstrecken, d.h. der Uplinks, der Downlinks und der Crosslinks. Solche Satellite Data Link Standards f u¨ r das 44/20 GHz EHF-Band sind entwickelt. Dabei werden

11.5 Vernetzung und Interoperabilit¨at

385

¨ nicht nur digitale Ubertragungsstrecken incl. der HF-Komponenten wie Frequenzen, Bandspreizung, Modulation, Vielfachzugriff sowie der Basisbandfaktoren wie Datenrate, Fehlerschutz, Timing, Rahmen- und Blockformate beachtet, sondern auch Protokollfragen und Nachrichtenformate. Packet Radio Die wesentliche Entwicklung in der digitalen Funk¨ubertragung in den letzten 100 Jahren ist die Packet Radio-Technik. Hier werden die Vorteile der Vielfachzugriffstechnik und der Eigenschaft von Radiokan¨alen (Broadcast) f u¨ r die zuverl¨assige ¨ Ubertragung von Daten zwischen intelligenten Stationen eingesetzt. Das Packet Radio ist ein Musterbeispiel f u¨ r die schnelle Entwicklung auf dem Informationssektorund f u¨ r die zunehmende Integration von klassischen Fernmelde¨ mit rechnergest¨utzten Systemen. Die eigentliche Ubertragung erfolgt im Paketmo¨ dus und ist f u¨ r die Ubertragung von Daten zwischen mobilen und transportablen Systemen in einem terrestrischen Radionetz gedacht. Die Paketvermittlung wurde urspr¨unglich f u¨ r Netze variierender (bursty) Verkehrslast entwickelt, z.B. Rechnernetze und LANs. Kombiniert man diese Anforde¨ rungen nach Ubertragungskapazit¨ at mit einem geeigneten Zugriffsverfahren wie ¨ z.B. ALOHA, l¨asst sich ein Ubertragungskanal wesentlich effizienter einsetzen als bei klassischer Festzuteilung der einzelnen Funkfrequenzen. Ein wesentliches Attribut des milit¨arischen Netzes ist die volle Verbindung (Connectivity) zwischen den Teilnehmern, sofern das Netz nicht v¨ollig in getrennte Unternetze aufgeteilt wird. Solche geforderten Eigenschaften wirken sich in den typischen Netzparametern wie Verz¨ogerung und Durchsatz aus. Die Packet RadioTechnik hat neue Konzepte f u¨ r zuverl¨assige End-zu-End Dienste eingef u¨ hrt. Alle Stationen eines PR-Netzes benutzen einen einzigen Radiokanal, der im ALOHAVielfachzugriff zwischen den einzelnen Stationen geteilt wird. Jede Station besitzt ihre Adresse, unter der sie angesprochen wird. Empf¨angt sie eine Nachricht, die nicht f u¨ r sie bestimmt ist, versucht sie, diese der Sendestation zur¨uckzugeben. Ausserdem gibt es jeweils eine oder mehrere Leitstationen, die die erforderlichen Routen festlegen. Auch wenn alle Leitstationen ausfallen, ist immer ¨ u¨ ber die sog. Rundspruch-Einrichtung eine zuverl¨assige Ubermittlung m¨oglich. Ein PR-Netz kann sich selbst rekonfigurieren, ohne dass der Teilnehmer dadurch gest¨ort wird. Da die einzelnen Rechner in den Stationen jederzeit u¨ ber die vom Radioteil empfangenen Nachbarn informiert werden, ist eine rasche Anpassung der Routing-Tabellen an die tats¨achlichen Netzverbindungen gew¨ahrleistet. Eine ideale Erg¨anzung der terrestrischen PR-Netze erfolgt durch PR-Satelliten, die eine weitr¨aumige Verbindung zwischen mobilen Teilnehmern schaffen.

386

11 Satellitenkommunikation in der Verteidigung

11.6 Die Erdfunkstellen und Bodenterminals Das Bodensegment in der wehrtechnischen Satellitenkommunikation ist von den kommerziellen Anwendungen nicht grundlegend verschieden – s. Kap. 4 zu EIRP und G-T. Ein dort nicht behandeltes Bodenterminal kommt hier hinzu. Das ManPack Terminal Das tragbare Funkterminal (ManPack) wurde ca. 1930 entwickelt (1937 von der Stadtpolizei Detroits in Betrieb genommen) und ca. 1990 durch das so genannte Handy abgel¨ost. Ein Kompromiss zwischen dem ca. 20 kg schweren ManPack (ca. 10 kb/s, mit Dreibein station¨ar betrieben) und dem 200 g schweren Handy (9,6 kb/s, hinters Ohr geklemmt) ist das INMARSAT Mini-M mit ca. 2 kg (und 64 kb/s, auf dem Schoss betrieben); das ManPack ist „Legacy“. Das Handy arbeitet bei 0,9 und 1,8 GHz (mit ca. 90 MHz an verf u¨ gbarem Spektrum), das INMARSAT Mini-M bei 1,6/1,5 GHz (mit ca. 30 MHz an verfu¨ gbarem Spektrum) und das Manpack im UHF Bereich (in ca. 30 kHz an meist voll belegtem Spektrum); es wartet im Mittel 15 Minuten bis sich eine Frequenz auftut. Typische ManPack Systemparameter k¨onnen sein: Terminal SHF Man Pack UHF Man Pack UHF Vehicle UHF Maritime UHF Aircraft

Antenne 0,6 m PR1 0,8 m TS2 0,5 m TS 2,0 m PA3 0,3 m TS

Gain 30 dBi 5 dBi 3 dBi 14 dBi 1 dBi

Leistung 10 dBW 20 dBW 20 dBW 20 dBW 20 dBW

EIRP 39 dBW 24 dBW 21 dBW 28 dBW 16 dBW

T −24 dBK −26 dBK −26 dBK −26 dBK −26 dBK

G-T 5,5 dBi/K −21 dBi/K −24 dBi/K −16 dBi/K −29 dBi/K

Das typische Terminal hat eineWendelantenne oder eineYagi-Backfire (s.Abb.11.5), meist von gleicher L¨ange wie die Wendelantenne. Im Gegensatz zur Stabantenne mit ca. 0 dBi Antennengewinn, haben Wendelantenne und Yagi-Backfire ca. 12 dBi Gewinn. Damit erg¨abe sich f u¨ r das Stabantennen ManPack ein G-T von 0 − 10 log(290 + 340) = −28 dBi/K, und f u¨ r das Yagiantennen ManPack ein G-T von 12,0 − 10 log(290 + 340) = −16 dBi/K. Die an das Yagi-Antenna-ManPack u¨ bertragene Bitrate ist bei gleicher Satellitensendeleistung 16-mal h¨oher. Der Vielfachzugriff ist typischerweise TDMA in SCPC mit DAMA, die Modulation (noch) QPSK. 1 2 3

Parabolic Reflector Antenna Turnstyle Antenna Patch Array (Phased Array Antenna)

11.7 Die NATO

387

Abb. 11.5 Die UHF-Antenne, daneben der Tragbeutel

11.7 Die NATO Die NATO betreibt seit Anbeginn Satellitenkommunikation; in den 60er Jahren nutzte sie das Interim Defense Satellite Communications System (IDSCS) der USA mit. Ende der sechziger Jahre beschaffte sie ihr eigenes System, das SATCOM-II (NATO-II von Philco-Ford). Im Jahr 1976 nahm man den Betrieb von SATCOMIII auf (NATO-III von Ford-Aerospace, baugleich mit DSCS, USA). Diese Satelliten hatten 310 kg BOL-Masse4 , 3 X-Band-Transponder und 7 Jahre Lebensdauer. Sie wurden 1976 (IIIA), 1977 (IIIB) und 1978 (IIIC) gestartet. NATO-IIID mit 295 kg BOL-Masse (40 Mio € plus 40 Mio € f u¨ r den Start) wurde 1984 gestartet. Nachdem IIIA, IIIB und IIIC ausgedient hatten, stand der IIID noch 1997 auf 21◦W und hat eine Inklination von etwa 5◦ aufgebaut. Er wird vom 3rd Space Operations Squadron of Space Command’s 50th Space Wing betreut. Die Satelliten u¨ bertragen Sprache, Telex und Daten zwischen Marineeinheiten, Flugzeugen, transportablen Terminals (einschliesslich ManPacks) und ortsfesten Stationen u¨ ber UHF- und SHF-Transponder unterschiedlicher Hochfrequenzbandbreite. 1991 wurde der SATCOM-IV in Betrieb genommen, der von England beschafft wurde (baugleich mit SKYNET-4). Der zweite Satellit (mit zwei UHF- und drei X-Transponder) wurde 1993 (mit 731 kg BOL-Masse) f u¨ r insgesamt 150 Mio $ gestartet. Alle bisherigen NATO-Satelliten sind von einfacher Bent Pipe-Architektur. Sie werden von der NATO Communications and Information Systems Agency (NACISA; Br¨ussel) betreut, vom Nr. 10001 Signals Unit at RAF Oakhanger, UK,. NATO-V mit UHF-, SHF- und EHF-Kapazit¨at wurde 2003 ausgeschrieben, das „NATO SatCom Post 2000“ Programm.Es gab Angebote fu¨ r die Satelliten sowohl aus USA als auch ein Gemeinschaftsangebot Englands, Frankreichs und Italiens. Das europ¨aische Gemeinschaftsangebot bekam den Zuschlag, fu¨ r 457 Mio € UHF und 4

Die Masse zu Beginn der Mission im Orbit (Begin of Life)

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11 Satellitenkommunikation in der Verteidigung

SHF Transponderkapazit¨at von 2005 bis 2019 beizustellen, mit SHF Transpondern auf Syracuse-III, Skynet-5 und Sicral und UHF Kapazit¨at auf Sicral und Skynet-5.

11.8 Nationale Systeme Viele Staaten betreiben neben ihrer zivilen Satellitenkommunikation auch Satelliten im Verteidigungssektor. Die f u¨ nf grossen Staaten in der EU, D, UK, F, I und E, haben ihre eigene Satellitenkommunikation f u¨ r ihre Streitkr¨afte; andere kooperieren mit Nachbarstaaten (obwohl diese andere Anforderungen haben) oder mieten Kapazit¨at an. Die nationalen wehrtechnischen Satellitensysteme sind: 11.8.1 Die USA 11.8.1.1 DSCS Die Serie von Satelliten des Defense Satellite Communications System (DSCS) der USA begann 1966 und fu¨ hrte in den 80er Jahren zu DSCS-III (Bild 11.4), in einer Zeit, in der noch von sieben Starts vier Fehlstarts passieren konnten. Im Gegensatz zu den kleinen, spinstabilisierten Vorl¨aufern ist der 1 t-Satellit dreiachsendrallstabilisiert und hat 10 Jahre Lebensdauer. DSCS-III hat 6 X-Band-Transponder (T1 mit 40 W/50 MHz, T2 mit 40 W/75 MHz, T3 und T4 mit 10 W/85 MHz, T5 mit 10 W/60 MHz und T6 mit 10 W/50 MHz). F¨ur extrem strahlungsfesten Verkehr dient ein UHF-Einkanaltransponder. Neben den Antennen f u¨ r Erd¨uberdeckung gibt es einen In Orbit Stearable Spot mit 61 Up- und 19 Down-Beams, die missionsabh¨angig ausgerichtet werden. Die DSCSIII Serie besteht aus 14 Satelliten und wurde 2003 komplettiert.

Abb. 11.6 DSCS-III

11.8 Nationale Systeme

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MILSTAR Die erste Flugeinheit des MILitary Strategic, Tactical And Relay satellite system (MILSTAR) der USA nahm 1994 (mit achtj¨ahriger Verz¨ogerung) den Dienst auf. 1999 waren zwei Satelliten im Orbit. MILSTAR erlaubt erstmals Kommunikation zwischen den Streitkr¨aften, die in der Vergangenheit f u¨ r Army, Navy, Air Force eigenst¨andige Systeme betrieben. Im ausgebauten Zustand werden acht Flugeinheiten (vier im Wirkbetrieb, vier in Reserve) weltweit verf u¨ gbar sein. MILSTAR bietet gesch¨utzte, u¨ berlebensf¨ahige, st¨orunanf¨allige Kommunikation im strategischen und taktischen Bereich der amerikanischen Streitkr¨afte (Secure Survivable Jam Resistent Nuclear Hardened Communications for the Strategic and Tactical Forces of all United States Military Services).Es ist das erste Satellitensystem, das f u¨ r ein Hostile Space Environment entworfen wurde. Die Satelliten k¨onnen mit ihrer Communications, Command, Control, and Information Distribution Mission mindestens sechs Monate autonom (ohne Hilfe vom Boden) fliegen. Die Satelliten sind geh¨artet, um Nuklearattacken und Angriffen mit gerichteten Energiewaffen standhalten zu k¨onnen. Die Satellitensendeleistung des MILSTAR erlaubt den Betrieb mit kleinen Erdfunkstellen, Flugzeugen, Schiffen einschliesslich U-Booten und schliesslich ManPacks. Es gibt drei Flugeinheiten MILSTAR-1 (Block 1 MILSTAR-1A, -1B und -1C). Die Fa. LOCKHEED Sunnyvale baut die (5 t) Plattform, die Firma TRW Space and Electronics Group f u¨ hrt die nachrichtentechnische Nutzlast und baut die Low Data Rate Ger¨ate, die Fa. Hughes die Medium Data Rate Nutzlast. Diese bietet mit der Low Data Rate (LDR; 75 bit/s–2 400 bit/s) die gesch¨utzte Kommunikation an: Das Ziel ist nicht die Durchsatzmaximierung sondern die ma¨ ximale Ubertragungssicherheit in Frieden, Krise und Krieg. Eine Besonderheit der Nutzlast ist der Low Data Rate Modus Operandi: W¨ahrend im ungest¨orten Zustand ¨ der Betrieb h¨oherer Ubertragungsraten m¨oglich ist, wird bei St¨orung die Satelliten¨ ¨ sendeleistung auf eine niedrigere Ubertragungsrate konzentriert, die Ubertragung bedrohungsadaptiv angepasst. Ein Jammer muss Leistungen von > 1 MW mit einer 10 m-Antenne aufbringen, um Signalausf¨alle zu verursachen. Die Uplinks sind gegen unerlaubten Zugriff auf den Satelliten chiffriert. Die Terminals (einschl. der aeronautischen) m¨ussen mit dem Empfang ihrer Signale und mit dem Bordprozessor synchronisiert sein. Der MILSTAR-2 hat acht steuerbare Antennen um 32 Medium Data Rate (MDR; 4,8 kbit/s–1,544 Mbit/s Kan¨ale u¨ bertragen k¨onnen. Die MILSTARbetreiberorganisation ist das 4th Space Operations Squadron, Space Command’s 50th Space Wing. Die Firmen Raytheon Equipment Div. (Marlboro, Mass.), Rockwell Collins, E-Systems ECI, Lockheed und GE bauen das Bodensegment. Der f u¨ r den Einschuss in den GEO in 1994 geplante erste MILSTAR der USA – ein ultrasicheres Vehikel, das den amerikanischen Streitkr¨aften die allzeitige weltweite Kommunikation in jedem Level of Conflict erm¨oglicht – kostete rund 2 Mrd $ pro Flugeinheit (ohne Einschuss; zehn Flugeinheiten waren urspr¨unglich geplant!). Die MILSTARs erm¨oglichen den Flugbefehlsstand (Flying Command Post), der die Aufgaben des bodengebundenen Befehlsstandes u¨ bernehmen kann, wenn dieser gef¨ahrdet ist, aber u¨ ber den USA und ausserhalb fliegen kann.

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11 Satellitenkommunikation in der Verteidigung

Betriebsfrequenzbander Die verwendeten Frequenzb¨ander sind – UHF: 300–400 MHz aufw¨arts und 225–260 MHz abw¨arts, f u¨ r die US Navy, – SHF (X-Band): 7,9–8,4 GHz aufw¨arts und 7,25–7,75 GHz abw¨arts, und – EHF (Ka-Band): 43,5–44,7 GHz Aufw¨artsstrecke und 19,7–21,2 GHz Abw¨artsstrecke f u¨ r die Kommunikation w¨ahrend eines Nuklearkonfliktes, plus – 60 GHz f u¨ r Intersatellitenverbindungen. Der Grund fu¨ r die Nutzung des Ka-Bandes ist zum einen die Unempfindlichkeit gegen Nuklearexplosionen (das UHF Band ist f u¨ r eine l¨angere Zeit nach einer Nuklearexplosion in der Atmosph¨are nicht zu gebrauchen) und zum anderen die Verf u¨ gbarkeit der grossen Bandbreiten, die Spektrum erlauben. Wirtschaftlichkeit Mit der Forderung der ultra-gesch¨utzten Kommunikation steht die Wirtschaftlichkeit dieses Systems nicht im Vordergrund. Der Satellit kostet 1,8 Mrd $ (im Vergleich zu 100 Mio $ f u¨ r vergleichbare kommerzielle Vehikel) und u¨ bertr¨agt 192 Kan¨ale mit Low Data Rates von 500 kbit/s (im Vergleich zu 50 Gbit/s bei kommerziellen Satelliten), so dass den 0,001 $ pro bit/s der kommerziellen Anwendung hier 3 600 $ pro bit/s gegen¨uberstehen. Der Einschuss des 4,7 t Satelliten in den GEO mit Titan 4 Centaur (von der Vandenberg Air Force Base) kostet 1,7 Mrd $ pro Launch; das gesamte MILSTAR Programm soll 40 Mrd $ kosten. Intersatellitenverbindungen Die MILSTAR-Nutzlast enth¨alt Intersatellitenverbindungen, die die weltweite Verf u¨ gbarkeit des Systems auch dann aufrechterhalten, wenn die meisten Bodenstationen ausgefallen sind. Die weltweit verteilten MILSTAR-Satelliten sind u¨ ber 60 GHz Inter Satellite Links (ISL; Crosslinks) verbunden, so dass sie nur von USA aus gesteuert und genutzt werden k¨onnen. Das Satellitensystem kann mit den ISL von einer einzigen, ortsbeweglichen Bodenstation betrieben werden. Die zwei Crosslink-Parabolantennen pro Satellit haben >1 m Durchmesser. Die BLOCK-2 Satelliten sollen LASER-ISL anstatt der 60 GHz H¨ochstfrequenz haben. On Board Processing Im MILSTAR werden die Signale demoduliert, decodiert, verarbeitet und fu¨ r die Abstrecke wieder codiert, moduliert und verst¨arkt. So k¨onnen verschiedene Modulationsverfahren auf der Aufw¨arts- und der Abw¨artsstrecke eingesetzt werden.

11.8 Nationale Systeme

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Aufw¨arts wird Direct Sequence Spread Spectrum verwendet, weil es gegen Jamming resistent ist und ausserdem der Sender nicht detektiert werden kann.Abw¨arts wird Fast Frequency Hopping (¨uber 2 GHz Bandbreite) eingesetzt, weil es sich der Detektion durch den technologisch zur¨uckliegenden Gegner entzieht. Die MILSTAR-Up- und Down-Antennen k¨onnen Jammer ausblenden (Nulling Capability). Die agilen Satellitenantennen k¨onnen 185 Ausleuchtgebiete bilden. Zukunftige Entwicklungen { Advanced EHF Wenn MILSTAR vollz¨ahlig in Betrieb ist, werden die Afsatcom-Transponder auf Fleetsatcom ausser Betrieb genommen. Die Nachfolge des MILSTAR-Systems soll eine Formation von 16 Satelliten sein: Sechs a` 1,4 t mit weniger Hardening und gr¨osserer Kapazit¨at und zehn a` 2,7 t full Hardening und kleinerer Kapazit¨at. Parallel hierzu plant die United States Air Force das Advanced Extremely High Frequency system (AEHF) als MILSTAR-Nachfolge (von Lockheed Martin, Hughes und TRW). Es soll aus nur vier GEOs bestehen, ca. 2004 in Dienst gehen, mit einer Lebensdauer von zehn Jahren. Die AEHF sollen (im 20/30 GHz Band) mindestens ¨ f u¨ nf Mal so viel Ubertragungskapazit¨ at wie MILSTAR haben und gleichzeitig weniger als die H¨alfte kosten (3,5 Mrd $). Das Programm soll auch die kanadischen Streitkr¨afte mit einbinden. GlobalStar Neben den beschriebenen Systemen dienten auch GlobalStar dem US-DOD. Die die nationale Kommunikation betreibende Defense Communications Agency (DCA) und die f u¨ r die globale Kommunikation zust¨andige Defense Information Systems Network (DISN) sind GlobalStar-Teilnehmer, weil dieses System weltweit nahtlos verf u¨ gbar und ausserdem kosteng¨unstiger als milit¨arische Systeme ist. Das DISN hat sein eigenes Gateway, eine Station von der Stange, ohne milit¨arische Spezifikationen. GlobalStar wird auch in UN-Missionen eingesetzt und in der Marine, f u¨ r die, f u¨ r die Moral der Truppe n¨otige, pers¨onliche Kommunikation. F¨ur beide Anwendungen werden die Gespr¨ache vom DOD zus¨atzlich chiffriert. IRIDIUM Das US-Heer hat sich bei IRIDIUM eingeschrieben und einen eigenen Gateway in Hawaii erstellt. Obwohl IRIDIUM kein kommerzieller Erfolg wurde, hat das Pentagon 2001 72 Mio $ nachgeschoben, um IRIDIUM, mit Boeing als Operator, zwei Jahre lang zu betreiben. Daf u¨ r bekommen 20 000 Handys unbegrenzte Airtime; dann sollten die ersten Satelliten ihr Design-Lebensende erreichen. Sollte das System dennoch betriebsf¨ahig sein, w¨urde man bis 2007 weitere 252 Mio $ nachschieben. Seitdem sind IRIDIUM Folgesatelliten, baugleich mit der ersten Satellitenserie, gestartet worden, die die Missionsdauer der Konstellation verl¨angern.

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11 Satellitenkommunikation in der Verteidigung

ACTS Siehe Kap. 8 zur Nutzung des ACTS der NASA durch die US Army. Auch andere, zivile Raumsegmente werden von Fall zu Fall genutzt. INMARSAT Auch die INMARSAT h¨alt Satellitenkapazit¨at f u¨ r die Nutzung durch Milit¨ars vor. W¨ahrend des zweiten Golfkrieges 2003 wurde ein Reservesatellit in Position u¨ ber Irak gebracht, f u¨ r zus¨atzliche Kapazit¨at f u¨ r die amerikanischen Fernsehanstalten. 11.8.1.2 United States Navy Die Marine nutzt die FleetSatCom (FLTSAT), die Gapfiller, LEASATs, UFOs und MUOSes. Gapˇller Das Programm GapFiller/MARISAT der US-Navy u¨ berbr¨uckte die Zeit ab 1976 bis zum Einsatz des FltSatCom Serie von Satelliten. Es bestand aus UHF Transpondern. Mit drei Satelliten wurde weltweite Verf u¨ gbarkeit erreicht. FLTSAT Im Programm FleetSatCom wurde seit 1978 ein UHF-Satellit pro Jahr in den geostation¨aren Orbit gestartet. LEASAT Zus¨atzlich zu dem oben erw¨ahnten FLTSAT bietet der LEASAT der US-Marine Kampffliegern und ortsfesten Einrichtungen zw¨olf UHF-Transponder (240/400 MHz) und Bandbreite im Bereich 7,25–7,50 und 7,975–8,025 GHz. Die auf 15◦W, 105◦W, 177◦W und 75◦ O geparkten GEOs werden seit 1984 von Boeing Corp. geleased. Sie wurden f u¨ r den Einschuss mit dem Shuttle optimiert: Sie sind zylinderf o¨ rmig und passen mit 4,5 m Durchmesser (7,7 t Masse, 1,2 kW Prim¨arleistung, 7 Jahre Lebensdauer) gerade in die Shuttle Bay. Die Satellitenkontrollzentren sind in Los Angeles (Hughes), Lago Patira (Neapel), Stockton (CA), Wahiawa (HI), Finegayab (Guam) und Norfolk (VA), verb unden mit dem US Naval Space Command Operations Center in Dahlgren (VA). Die Royal Australian Navy nutzt den 1990 gestarteten LEASAT-5 auf 156◦ O, der f u¨ r die US-Marine ausgedient hat. Die LEASATs haben sechs Transponder a` 25 kHz (26 dBW EIRP, −18 dBi/K G-T), einen mit 500 kHz (28 dBW EIRP, -18 dBi/K G-T), f u¨ nf a` 5 kHz (16,5 dBW EIRP, -18 dBi/K) und einen Fleet Broadcast Transponder mit On-Board-Processing (26 dBW EIRP, -20 dBi/K G-T).

11.8 Nationale Systeme

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UFO Nach LEASAT kommt das UHF Follow On der US-Marine (Boeing; HS-601) mit elf Satelliten im UHF-, SHF- und EHF-Band (20/40 GHz) fu¨ r 2,5 Mrd $ incl. Starts (71,5◦O, 1,5◦ O, 15◦W, 23◦W, 106◦W, 161◦W, 171◦W, 174◦W, 177◦W; die Ankerpositionen sind 22,5◦W, 72◦ O und 172◦ O). Das EHF-Band verbindet UFO mit dem MILSTAR Bodensegment. Alle drei B¨ander sind im Satelliten cross-strapped. Mit ¨ UFO-6 (3,02 t) kommt der Global Broadcast Service (GBS) hinzu. Uber vier Transponder im Ka-Band und Spotbeam-Antennen werden Intelligence incl. Bildmaterial und Unterhaltungsprogramme mit 96 Mb/s abgestrahlt. Bei UHF (248–270 MHz up, 295–311MHZ down) versucht die Navy zu kommunizieren obwohl Rundfunksender unabsichtlich und Piratensender absichtlich die Satellitenkapazit¨at beaufschlagen. Mit den gleichen einfachen Yagi- oder Logperiodischen Antennen TLP 3516D (mit 10 dBi Gewinn), die auch die Navy benutzt, kommunizieren Drogenh¨andler und andere u¨ ber die auf 15,8◦W und 22◦W geparkten UFOs. Technisch versierte Piraten missbrauchen das Navysystem als High Tech Citicen Band (HT-CB) bis hin zu Slow Scan TV von Pornomagazinen in arabische Staaten, die deren Import auf Papier nicht zulassen. Auch die dritte Harmonische des unteren UKW-Bandes f¨allt in das UHF-Uplink, so dass lokale Radioprogramme aus S¨uddeutschland u¨ ber FltSat unversehens global bis nach S¨udamerika verteilt werden. Everybody and his brother is on the air again today sagte ein US-Navy-Funker schon vor zwanzig Jahren, als er auf See nicht zu einer Fregatte durchkam. Die Lage ist seitdem schlechter geworden, und wenn sich das nicht a¨ ndert, werden die US-Milit¨ars auf ihren eigenen Satelliten bald unbeliebte G¨aste sein. Trotzdem und trotz der begrenzten Bandbreite erfreut sich das UHF-Band bei vielen Marinen anhaltender Beliebtheit. MUOS Nach UFO ist das Mobile User Objective System (MUOS) f u¨ r die Inbetriebnahme in 2007 mit sieben Satelliten im geostation¨aren Orbit geplant, im 44/20 GHz Band. Das Satellitenkommunikationssystem MUOS der US-Marine soll 6,1 Mrd $ (inklusive Betrieb) kosten, deutlich mehr als das Vorl¨aufersystem. MUOS soll taktische Kommunikation zu Lande, zur See und in der Luft mit Simulataneous Voice Data Video mit 64 kB/s bis 40 Mb/s betreiben.Das US Navy Space and Naval Warfare Systems Command Dan Diego soll die Kontrolle u¨ bernehmen; der 3,2 Bio $ Vertrag ging an Lockheed Martin/General Dynamics/Boing Satellite Systems (ohne Raytheon). 11.8.1.3 United States Air Force Die Luftwaffe der USA nutzt auch DSCS und MilStar, hat dar¨uber hinaus aber auch eigene Programme:

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11 Satellitenkommunikation in der Verteidigung

AFSatCom Im Programm AirForceSatelliteCommunications AFSatCom-I der US-Luftwaffe fliegt ein UHF Transponder (300–400 MHz , 225–260 MHz ∫) auf den DSCS Satelliten mit. Bei AFSatCom-II kommen X-Band Transponder hinzu. 1 000 Flugzeuge sind ausserdem mit UHF Ger¨aten f u¨ r die geostation¨aren FltSatCom/AFSatComSatelliten ausger¨ustet. Wideband Gapˇller Das Programm Wideband Gapfiller der US-Luftwaffe u¨ berbr¨uckt die Zeit bis zur Inbetriebnahme des Vollsystems. Mit sechs Satelliten von Boeing (f u¨ r 1,3 Mrd $) sollte das DSCS ab 2004 ersetzt und die Entscheidung f u¨ r ein eigenst¨andiges System f u¨ r die Luftwaffe hinausgeschoben werden. Derzeit ist die Inbetriebnahme des Wideband Gapfiller auf 2006/2007 verz¨ogert. LES Die Luftwaffe macht auch Nutzen von den Lincoln Experimental Satellites (LES) die im UHF und im X-Band arbeiten. LES-9 wurde im Golfkrieg intensiv genutzt. 11.8.1.4 Zusammenfassung USA Das US-Milit¨ar hat das fortschrittlichste Satellitennetzwerk der Welt, das f u¨ r alle Waffengattungen weltweit verf u¨ gbar ist. Dar¨uber hinaus mieten die Milit¨ars Satellitenkapazit¨at von zivilen Satelliten an, um ihren globalen Bedarf im Frieden, insbesondere jedoch auch in Krise und Krieg, abzudecken. Diese zivile Kapazit¨at ist f u¨ r den nicht sicherheitskritischen Verkehr geeignet und kosteng¨unstiger als die milit¨arischen Kan¨ale. Im Jahr 2002 rechnete man mit 700 Mio $ Miete f u¨ r C-Band und Ku-Band Mieten, sowie mit j¨ahrlichen Wachstumsraten von 15%. 11.8.2 England SKYNET war nach den USA und RUS das dritte dediziert-milit¨arische Satellitensystem einer Einzelnation mit weltweiter Verf u¨ gbarkeit. SKYNET-I war 1969 der erste milit¨arische Satellit im GEO. SKYNET-II war 1974 der erste Satellit, der ausserhalb von USA/RUS gebaut wurde. Dieser Satellit flog 1999 noch. In Grossbritannien sorgt die Royal School of Signals nicht nur f u¨ r die Ausbildung der Soldaten in der Fernmeldetechnik (wie das in Deutschland die Fernmeldeschulen tun), sondern plant auch Future Com. Systems f u¨ r das Royal Corps of Signals. Die Kommunikationshierarchien sind so strukturiert, wie man sie auch in anderen L¨andern kennt: – Tactical Communications – Division Communications – Corps Communications

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mit den entsprechenden Priorit¨aten und generischen Diensten und dazu geh¨orendem Equipment. Die Fernmelderei ist teilstreitkrafteigenst¨andig im Heer, der Marine und der Luftwaffe, mit jeweils typischen Diensten und geeignetem Equiment. Die Satellitenkommunikation in den britischen Streitkr¨aften begann schon in den 70er Jahren mit der TSC500, einem 12,8 m Parabolreflektor, 10 kW Klystron, 35 Mann Bedienpersonal und 1 Belfast plus 4 Herkules Flugzeugen f u¨ r den Transport. Damit wurde 1 analoger Sprachkanal plus 12 Telex Kan¨ale betrieben – ein essentieller Fortschritt gegen¨uber der Kurzwelle. ¨ Gerade rechtzeitig f u¨ r den Falklands War kam die TSC502 mit einer Ubertragungsrate von 20 kb/s, mit LPC10 Sprechvocodern jener Zeit, also 8 Sprachkan¨ale plus 6 Telexkan¨ale, the only way home, da die Kurzwelle auf dieser Strecke unzuverl¨assig ist. Nach dem Falklandkrieg bis zum Golfkrieg wurde die Satellitenkommunikation in die Position eines rear link bzw. last ditch communications zur¨uckgedr¨angt. Mit SKYNET 4 kam dann aber h¨ohere Quantit¨at und verbesserte Qualit¨at und der VSC 501 Landrover Borne Ground Satellite Terminal mit ebenfalls 20 kb/s f u¨ r rear links und BAOR (ist heute nachger¨ustet f u¨ r 256 kbps). Im Golfkrieg (the first „space war“ 5 ) baute die Royal Air Force terrestrische Netzwerke an allen Airfields auf und vernetzte sie, im Golf und mit Europa und dem Ministry of Defence, mit dem VSC 501 (das Ptarmigan Network). Damit war die Satellitenkommunikation etabliert, jedoch auf strategische Anwendungen begrenzt. Die USA nutzten zu jener Zeit bereits Satellitenkommunikation sowohl f u¨ r strategischen als auch taktischen Einsatz (das Link zum Soldaten „as an essential and integrated element of the commander’s tactical wide area network“). In Grossbritannien kam die taktische Satellitenkommunikation dann in den 80er Jahren nach, mit Satellitenterminals f u¨ r niedrige, mittlere und hohe Bitraten f u¨ r analoge Sprache, geb¨undelten Sprechverkehr, Daten¨ubertragung und Telex. Das ¨ TSC-85 Terminal ist f u¨ r Punkt-zu-Punkt Ubertragungen f u¨ r 96 analoge Sprachkan¨ale ausger¨ustet, kann aber auch Punkt-zu-Multipunkt empfangen werden. Das TSC-93 hatte 24 analoge Sprachkan¨ale. Beide Terminals sind inzwischen f u¨ r digi¨ tale Ubertragung bis zu 1 152 kbps aufgewertet worden. Terminals dieser Gattung wurden in „Operation Grapple“ (Jugoslawien) und den Eins¨atzen Jural und Warden ¨ (Incirlik und Riyadh) bei der Uberwachung der Flugverbotszone verwendet, vom Heer, sp¨ater auch vom Tactical Communications Wing der RAF. Die britischen Streitkr¨afte haben die Satellitenkommunikation konsequent aufgebaut, Heer und Luftwaffe im X-Band und die Marine im UHF Bereich. Daneben haben sie mit Tri-Band Stationen (C-, X- und Ku-Band) kommerzielle Satellitensysteme genutzt. Sie haben ausserdem erfolgreich mit Ka-Band (20/44 GHz) und bordseitiger Signalverarbeitung und -vermittlung experimentiert und sie dienst5

Der Golf Krieg sah das Heranreifen der milit¨arischen Satellitenkommunikation; das amerikanische Milit¨ar f¨uhrte die E-mail zum Soldaten im Feld, die Videokonferenz, Bild¨ubertragung, Breitbandkommunikation und die Telefonverbindung f¨ur die Soldaten ¨ in Ubersee mit ihren Familien ein. In Desert Storm wurde 75% der Kommunikation u¨ ber Satellit abgewickelt.

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11 Satellitenkommunikation in der Verteidigung

getestet und sie werden mit diesen Technologien in Zukunft in den Wirkbetrieb gehen. Die Dienste auf SKYNET 5 werden Bitraten von 2-, 8-, 32- und bis zu 622 Mb¨ ps f u¨ r die Ubertragung von breitbandigen interaktiven digitalen multimedialen Diensten im Missionszeitraum von 15 Jahren beinhalten. Die Dienste werden Unicast (Punkt-zu-Punkt), Multicast (Punkt-zu-Vielen) und Broadcast sein. Die ¨ Ubertragungen sind BPSK, QPSK, ungespreizt f u¨ r Volumen¨ubertragungen und ge¨ spreizt f u¨ r „sichere“ Ubertragungen. Der Zugriff ist sowohl Reservation als auch DAMA, beides in FDMA und MFTDMA. Die Missionsanforderung, Service Areas in Grossbritannien, Zypern, Gibraltar, den Falklands etc. und der Gobal Coverage zu bedienen, w¨urde in konventioneller Satellitenarchitektur zu 20 Transpondern f u¨ hren; deshalb die Zuwendung zum bordseitigenVermittler anstatt,einhergehend mit einer Satellitenantenne in Phased Array Architektur, die sich a¨ ndernde Service Regions am Boden zu bedienen. SKYNET dient den Teilstreitkr¨aften (einschl.der Royal Navy im UHF-Band) und wird von der Air Force in Oakhanger gef u¨ hrt. Die 1 250 kg-SKYNET-IV wurden von British Aerospace gebaut und mit TITAN-3 gestartet. Zwei Satelliten sind u¨ ber dem Atlantik (34◦W, 1◦W), ein dritter bei 53◦ O zur Verbindung mit dem Fernen Osten stationiert.Die Positionen 6◦ O und 34◦ O sind ebenfalls koordiniert. Die Satelliten haben zwei UHF-Transponder (294,8–318,3 MHz Uplink, 244–264 MHz Downlink), vier SHF-Transponder (7,90–8,40 GHz Uplink, 7,25–7,75 GHz Downlink) und einen Transponder (30–31 GHz Uplink und 20,2– 21,2 GHz Downlink) f u¨ r den Einstieg in das Ka-Band. Ausserdem wird die Zircon Abh¨ornutzlast geflogen (f u¨ r GCHQ); es besteht ein Datenaustausch mit den USA. SKYNET-IV ist der erste, nicht in den US gebaute Satellit in der NATO-Beschaffung. In 2001 wurde der sechste (SKYNET 4F) Satellit gestartet. Inzwischen l¨auft das SKYNET V-Programm mit drei bis vier Flugeinheiten. Der erste SKYNET-5 sollte 2006 gestartet werden xxxxcheck. Outsourcing Neben der Finanzierung, Beschaffung und dem Betrieb eines eigenen Satellitensystems besteht die M¨oglichkeit, sich die Fernmeldedienste von einem externen Betreiber beistellen zu lassen. Ein Beispiel ist die Fa. EADS, die als Special Purpose Service Provider dieses f u¨ r nationale Nutzer anbietet. Ihr erster Auftrag dieser Art ist das Programm PARADIGM, in dessen Rahmen sie die milit¨arische Satellitenkommunikation mit SKYNET f u¨ r die britischen Streitkr¨afte betreibt. 11.8.3 Frankreich Das SYsteme de RAdio-Communications Utilisant un SatellitE (SYRACUSE) der franz¨osischen Streitkr¨afte wurde anfangs auf dem TELECOM-Satelliten als Passagier mit f u¨ nf Transpondern im X-Band mitgeflogen (SYRAVUSE II auf TELE-COM2 seit 1991). Die Satelliten haben Global Coverage, einen fest auf Europa gerichteten Spot Beam und einen Steerable Spot Beam. Das Heer und insbesondere die Marine

11.8 Nationale Systeme

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betreiben „secure“ Sprachkan¨ale mit Bodenstationen und Schiffsanlagen. Seit Ende der TELECOM-Satelliten fliegen SYRACUSE auf eigenen Plattformen,die Kapazit¨at auch f u¨ r die deutsche Bundeswehr haben. Der erste SYRACUSE-3 sollte 2003, der zweite in 2006 in Betrieb gehen. Der erste nahm 2006 den Betrieb auf, im SHF Band (mit einer Satelliten-Phased-Array-Antenne mit Nulling) und im EHF Band (mit je 1 GHz Bandbreite Uplink und Downlink). Die SHF- und EHF-Frequenzb¨ander sind verschaltet (Cross Strapping). 11.8.4 Italien Wie bei SYRACUSE flog die Mission Sistema Italiano Comunicazioni Riservate et Allarmi (SICRAL) auf dem italienischen Fernmeldesatelliten Italsat als „Passagier“ mit, mit Transpondern im UHF-, X- und Ka-Band, f u¨ r Zivilschutz, Heer (ortsfest) und Luftwaffe (mobile Terminals). Die drei B¨ander sind „cross strapped“. Wie bei SYRACUSE hat SICRAL heute eigene Satelliten, fu¨ r den nationalen Einsatz in den drei Frequenzb¨andern UHF, X und EHF Band und f u¨ r internationale Missionen in der gesamten Hemisph¨are im X-Band. 11.8.5 Spanien Schon auf dem nationalen Fernmeldesatellitensystem HISPASAT der spanischen Postverwaltung, anl¨asslich der 500 Jahrfeier der Wiederentdeckung Amerikas in Betrieb genommen,flogen f u¨ r den spanischenVerteidiger im Programm HISDESAT drei X-Band Transponder (40 W, 42 dBW) kosteneffektiv mit, a¨ hnlich den SICRAL/SYRACUSE-Nutzlastmodellen in Italien und Frankreich. Inzwischen wurde der dedizierte HisDeSat6 /SpainSat (de = defence) in Betrieb genommen. Der SpainSat hat 13 X-Band und einen Ka-Band Transponder. HisDeSat vermietet f u¨ nf X-Band und den einen Ka-Band Transponder an das spanische Milit¨ar, die anderen acht X-Band Transponder an die Fa. XTAR LLC. 11.8.6 XTAR-EUR { XTAR-LANT XTAR ist das erste privatwirtschaftliche Unternehmen, das X-Band Satellitenkapazit¨at national und international vermietet. Die Fa. XTAR geh¨ort zu 56% der LORAL Space & Communications und zu 44% der HisDeSat. XTAR-LANT besteht aus den acht, von SPAINSAT gemieteten 72 MHz-Transpondern. XTAR-EUR bedeckt von der Position 29◦ O aus die Erde von Brasilien bis Singapur. Erste Kunden sind die US (die Defense Information Systems Agency; DISA) und die d¨anischen Streitkr¨afte. Der 2005 gestartete XTAR-EUR ist ein leistungsf¨ahiger Fernmeldesatellit mit 15 kW Prim¨arleistung, 3,6 t schwer beim Start, ausgelegt f u¨ r 20 Jahre Lebensdauer, mit zw¨olf Transpondern die bis zu 105 Mb/s u¨ bertragen k¨onnen. XTAR-EUR ist einer der ersten Satelliten, der im X-Band beide Polarisationen einsetzt, ein dringender Schritt zur Erh¨ohung der Spektrumseffizienz. 6

HisDeSat S.A. ist eine spanische Kommunikationsfirma

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11 Satellitenkommunikation in der Verteidigung

11.8.7 Deutschland Im Gegensatz zu den Nachbarstaaten UK, F, I und E hatte sich die deutsche Bundeswehr gegen die Satellitenkommunikation eingestellt und war dann aber 1993 in Somalia Hals u¨ ber Kopf auf Satellitenmietkapazit¨at angewiesen, ohne daf u¨ r ausger¨ustet oder ausgebildet zu sein. Seitdem ist die Zahl der „Out of Area“-Eins¨atze f u¨ r die UNO gewachsen und damit der Bedarf an Satellitenkommunikation. Heute ist die Bundeswehr auf mehr als zehn Satelliten unterschiedlicher internationaler Betreiber zu betr¨achtlichen Kosten in Untermiete. Zu den betr¨achtlichen Satellitenmietkosten kommen die Kosten fu¨ r die unterschiedlichen, zum Teil nicht interoperablen Bodenterminals f u¨ r die verschiedenen Systeme in sechs verschiedenen Frequenzb¨andern (P-, L-, C-, X-, Ku- und eventuell Ka/EHF-Band). Dieser Zustand f u¨ hrte zu der Entscheidung, ein eigenes System zu beschaffen oder den Betrieb eines solchen zu beauftragen.Es sollte die Bedeckung wie das englische Skynet haben (120◦W bis 100◦O und 70◦ N bis 70◦ S) und die Frequenzb¨ander P- und X-Band. Die Nutzung der L-, C-, Ku und eventuell Ka-B¨ander soll also auch weiterhin mit Mietkapazit¨at auf ausl¨andischen Drittsystemen erfolgen. F¨ur die geforderte Bedeckung sind mindestens zwei geostation¨are Satelliten notwendig, mit entsprechender Reserve f u¨ r den Fall, dass mehr als ein Transponder eines der beiden operationellen Satelliten nicht nach Spezifikation arbeitet. Die Satelliten SatComBw werden in Frankreich gebaut und sollen 2008 in Dienst genommen werden. 11.8.8 Brasilien Seit der zweiten Generation Sistema Brasilero de Telecomunicacoes por Satelite (SBTS) in 1994 betreibt Brasilien mit dem BRASILSAT auch je einen X-Band Transponder (33 MHz mit 33 dBW) auf den nationalen Satelliten (auf 65◦W und 70◦W), die im C-Band zivile Kommunikation betreiben. 11.8.9 Japan Das Pendant zu den SYRACUSE, SICRAL und HISPASAT Systemen in Europa sind in Japan die X-Band (7/8 GHz)-Transponder der japanischen Streitkr¨afte auf den Fernmeldesatelliten JAPSAT und Folgesatelliten. 11.8.10 Australien Auch die australischen Streitkr¨afte fliegen X-Band (7/8 GHz)-Transponder (Programm OCTUS) auf dem zivilen australischen Kommunikationssatelliten AUSSAT. Das Programm unterscheidet sich jedoch von allen anderen dadurch, dass AUSSAT von der Singapour Telecomm betrieben wird, so dass die nationale milit¨arische Kommunikation von einer ausl¨andischen, zivilen Betreiberorganisation beigestellt wird – der erste Fall dieser Art.

11.8 Nationale Systeme

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11.8.11 Korea Die KT Corp. (ehem. Korea Telecom) und die Korean Agency for Defense Development (ADD) haben 2003 ihren ersten gemeinschaftlichen zivil/milit¨arischen Multimissions-Fernmeldesatelliten (fu¨ r 148 M€ in Europa) bestellt (Koreasat 5). Die Nutzlast ist Stand-der-Technik mit Technologien wie sie auch im Syracuse III Programm geflogen werden. Sie beinhaltet 36 Transponder im C- und Ku-Band f u¨ r die zivile Seite (Advanced Broadband Multimedia and Digital Television Services, and Conventional Telecommunications to Operators in the Asia-Pacific Region) und im SHF-Band f u¨ r die Milit¨ars. 11.8.12 Russland Die Molnija-Satelliten (HEO, 400 × 40 000 km, 63,4◦ inkliniert) der ehemaligen Sowjetunion fliegen seit 1965 und werden noch heute in den Orbit gebracht. Sie haben drei L-Band Transponder a` 40 W (1,0/0,8 GHz) f u¨ r den Telefonverkehr. Der letzte Molnija-2 wurde 1977 gestartet,aber Molnija-3 Satelliten werden noch nachgeschossen (s.Abb. 11.7). Diese haben drei C-Band Transponder a` 50 MHz und 30 W/35 dBW (EOC), im Band 5,975–6,225 bzw. 3,650–3,900 GHz. In den drei Molnija-Serien wurden bis 1999 insgesamt 157 (von NPO-PM gefertigte) Satelliten (von Plesetsk aus) gestartet. Jeder Satellit hat eine Lebensdauer von zwei Jahren.

Abb. 11.7 Der Molnija-3 Satellit (Masse 1,8 t; Prim¨arleistung 1,2 kW)

Die STRELA-Satelliten (LEO,1 500 km,63,4◦ inkliniert) werden im VHF/UHF-Band f u¨ r die russische Marine eingesetzt. Die STRELAs fliegen seit 1970. Dem Milit¨ar standen auch alle anderen, in der UdSSR betriebenen Fernmeldesatelliten, zur Verfu¨ gung. Volna, Raduga Gals und Tor Neben den HEO- und LEO-Systemen wurden auch alle geostation¨aren Plattformen (Gorizont, Luch, Ekran) f u¨ r das Milit¨ar eingesetzt: – Volna: L-Band Marine, Luftwaffe – Tor: Ka-Band Marine, Luftwaffe – Raduga: C- & X-Band Heer – Gals: X-Band Heer

400

11 Satellitenkommunikation in der Verteidigung

11.9 Zusammenfassung Fernmeldesatelliten spielen auch in der Verteidigung und insbesondere bei UNOEins¨atzen eine essentielle Rolle. Fast jedes entwickelte Land betreibt ein nationales Raumsegment. Die USA, England, Frankreich und Russland betreiben geostation¨are Fernmeldesatelliten rund um die Erde. Gerade bei Eins¨atzen der Vereinten Nationen ist f u¨ r die Arbeit vor Ort Kommunikation unerl¨asslich. In den Einsatzgebieten ist im Allgemeinen aber wenig Infrastruktur verf u¨ gbar. Deshalb verwendet man meist Kapazit¨at von INTELSAT, INMARSAT etc. Aber auch in der nationalen Verteidigung greift man zunehmend auf kommerzielle Satellitenkapazit¨at zur¨uck. Sie ist nicht nur tauglich, sondern auch wirtschaftlich. Geostation¨are Satelliten sind nicht wirtschaftlich zerst¨orbar; es ist jedoch ¨ m¨oglich, die Ubertragung zu st¨oren. Dagegen k¨onnen spezielle Verfahren und Betriebsprozedere eingesetzt werden – Antijamming, Limiting, Nulling, der bedrohungsadaptive Lastabwurf und der diversit¨are Betrieb.

Literaturhinweise Blackmann, N. M., „The Signal x Signal, Noise x Noise, and Signal x Noise Output of a Nonlinearity“, IEEE Transactions of Information Theory, IT-14, pp. 21–27, 1968 (dieses Papier beschreibt die Theorie und Funktion des Begrenzers) Wehrtechnik, Organ der Deutschen Gesellschaft f¨ur Wehrtechnik e.V.,Verlag Wehr & Wissen Verlagsgesellschaft mbH, Bonn Aerospace America, monatliche Fachzeitschrift des American Institute of Aeronautics and Astronautics, Reston, VA; ISSN 0740-722X Aviation Week and Space Technology, w¨ochentliche Fachzeitschrift, 1 Albemarle St., London W1X 3HF, England Jane’s Military Communications, 2001–2002; www .janes.com; Jane’s Information Group Ltd, Sentinel House, 163 Brighton Rd, Coulsdon, Surrey CR5 2NH, UK AGARD (Advisory Group for Aerospace Research and Development) „Reports on Communications and Propagation“, NATO, Neuilly Sur Seine, France Military Communications 1999, IEEE Military Communications Conference Proceedings, IEEE Service Center, 455 Hoes Lane, Piscataway, NJ, USA Fred Ricci and Daniel Schutzer, „US Militrary Communications“, Computer Science Press, Rockville, MD, USA, 1986 Jane’s Space Directory, Jane’s Information Group Ltd, Sentinel House, 163 Brighton Rd, Coulsdon, Surrey CR5 2NH UK, 2002 Carl Jones,„Command, Control & Communications“, AIAA, Washington DC, USA, 1993 Phillips Satellite Industry Directory, Phillips Business Onformation, Inc., Potomac, MD, USA, 2001 The C3 I Handbok: Command, Control, Communications, Intelligence; Edition 3, Defense Electronics, 1170 E Meadow Drive, Palo Alto, CA, USA, 1997

12 Wirtschaftlichkeit

„Communications doesn’t cost – it pays“

1

Allzeit verf u¨ gbare und zuverl¨assige Kommunikation zu erschwinglichen Preisen ist die Vorraussetzung allen wirtschaftlichen Lebens. Dabei steht heute die Wirtschaftlichkeit der Satellitenkommunikation ausser Frage – u¨ ber 1 000 Satelliten im Umlauf, a` 100 Mio € im Mittel, sind keine phylantropische Veranstaltung. Die Milliarden-Euro-teuren Satellitensysteme im Orbit verdienen gute Rendite im Sprach- und Datenverkehr, zu ortsfesten und mobilen Teilnehmern, mit IP- und insbesondere mit Fernsehverteildiensten Der Kommunikationsbedarf zwischen zwei Punkten nimmt mit deren Entfernung, mit sprachlichen Barrieren und mit Zeitunterschieden ab. Der Grossteil der Kommunikation ist sehr lokal und kann somit terrestrisch gut bedient werden. Trotzdem kommt der Satellitenkommunikation eine bedeutende Nebenrolle zu. Sie rechnet sich u¨ berall dort, wo sie ihre Attribute gegen terrestrische L¨osungen ausspielen kann. An der Spitze liegen Mobilit¨at, Broadcast, kurzfristig zu realisierende Dienste, insbesondere auch interaktive multimediale Breitbandanwendungen, Katastrophenkommunikation, globale Bedeckung und der Aufbau von Infrastrukturen. Mit Satelliten l¨asst sich ein Netz sehr kurzfristig aufbauen – und auch leicht a¨ ndern, wenn sich der Bedarf a¨ ndert – und die Kosten pro Teilnehmer nehmen mit zunehmenden Anschl¨ussen ab, w¨ahrend sie in terrestrischen Netzen mit zunehmenden Anschl¨ussen exponentiell ansteigen (s. Abb. 12.1).

pro TeilnehmerAnschluss

0

1

A

B

25

50

75

100 % der Teilnehmer

Abb. 12.1 Teilnehmeranschlusskosten in terrestrischen Netzen (A), Satellitensystemen (B)

Kommunikation kostet nicht, sondern macht sich bezahlt (f¨ur den Nutzer wie f¨ur den Betreiber)

402

12 Wirtschaftlichkeit

Die Abbildung zeigt die Teilnehmeranschlusskosten von terrestrischen und Satellitensystemen. Die Anschlusskosten in Satellitennetzen sinken mit zunehmender Teilnehmerzahl weil die Kosten des Raumsegmentes auf eine wachsende Anzahl von Nutzern umgelegt werden, und sie steigen in terrestrischen Netzen exponentiell mit der Zahl der Teilnehmer, weil f u¨ r n Teilnehmer n2 Verbindungen installiert werden m¨ussen und insbesondere, weil f u¨ r die Anzahl der Ansch¨usse gegen n die entlegenen Teilnehmer im Wald und auf dem Berg angeschossen werden m¨ussen, die oft wenig Fernmeldeumsatz produzieren, aber auch ca. 5 000 € kosten. Die raumgest¨utzte Versorgung ist frei von der sehr empfindlichen Kostensteigerung, die bei der terrestrischen Anbindung insbesondere auf der ’letzten Meile’ zum Teilnehmer entsteht. Nat¨urlich sind terrestrische Links sinnvoll u¨ berall dort, wo grosseVerkehrsb¨undel u¨ ber kurze oder einfach zu u¨ berbr¨uckende Entfernungen gefordert sind.Aber es ist nicht sinnvoll,100% der Teilnehmer in der fl¨achengrossen Pusta, mit minimalem Verkehrsaufkommen, zu verkabeln oder per terrestrischen Zellularfunk zu versorgen. Die L¨osung liegt auf der Hand: Die Symbiose von terrestrischer Infrastruktur und Satellitenfunk. Typische Kosten von Teilnehmertelefonneuanschl¨ussen in terrestrischen Festnetzen, Mobilnetzen und Satellitennetzen (LEO und GEO) sind wie folgt: Festnetz

Mobilfunk

LEO-Netz

GEO-PCN-System

2 500 €

ca. 1 200 €

ca. 7 500 €2

ca. 1 000 €.

Die globalen Betreiber Intelsat, SES Global, Eutelsat, NewSkies und Orion, sowie regionale Betreiber wie Optus, Hispasat und viele Einzelsysteme in den USA, bieten kosteng¨unstige Satellitenkapazit¨at an, die man mieten kann; die Terminals kauft man im Regelfall, und schon kann man sein eigenes Netz betreiben. Mehr und mehr Operator bieten inzwischen auch den Aufbau und Betrieb des Netzes an – der Kunde muss sich um nichts k¨ummern.Die Fa.WildBlue,als Beispiel, bietet in den USA einen Anschluss fu¨ r 79,95 US$ an. Dafu¨ r stellt sie dem Kunden ein Terminal vor das Haus, schliesst es an und bietet 256 kb/s Uplink (senden vom Terminal zum Netz) und 1,544 Mb/s Downlink (empfangen). Die Zuverlassigkeit eines Satellitennetzes Die INTELSAT hat bis zu ihrer Privatisierung am 18.07.01 ca. 30% Rendite an ihre Signatare ausbezahlt; ein guter Teil davon wurde mit Cable Restauration verdient, Satellitenkapazit¨at f u¨ r Tiefseekabel, die st¨andig kaputt gehen. Umgekehrt ist kein Fall bekannt, wo Satellitenkapazit¨at je durch Kabelmiete unterst¨utzt wurde. Die Zuverl¨assigkeit der Satelliten¨ubertragung bei INTELSAT und EUTELSAT liegt bei >98%. Die Zuverl¨assigkeit professioneller Erdfunkstellen liegt u¨ ber 99%, so dass die Satellitendienste im Allgemeinen zuverl¨assiger sind als terrestrische Netze. 2

zum Beispiel Iridium: die Satellite allein kosteten 7,5 Mrd US$; bei 1 000 000 Teilnehmern. . .

12.1 Kosten f¨ur das Raumsegment

403

Kosten von Bodenterminals Um Satelliten wirtschaftlich nutzen zu k¨onnen, m¨ussen Bodenstationen im Betrieb sein; f u¨ r die Gesch¨aftskommunikation verwendet man heute VSATs3 und SITs4 ; diese kosten ca.: SkyWAN5 TES6 PES7 Cheapo HUB

30 000 € 20 000 € 10 000 € 1 000 € 400 000 € (ohne DAMA; mit DAMA 600 000 €).

12.1 Kosten fur das Raumsegment Die Kosten f u¨ r das Raumsegment h¨angen von der Art der Satelliten und der geforderten Lebensdauer und Zuverl¨assigkeit ab. Es reicht im Allgemeinen nicht aus, nur eine Flugeinheit zu beschaffen, da es nicht auszuschliessen ist, dass der eine Satellit einem Fehlstart unterliegt oder vor Ende seiner Lebensdauer ausf¨allt. Es sollte mindestens ein Reservesatellit vorgehalten werden. Die konservative L¨osung sieht die Beschaffung von drei Satelliten vor: ein Satellit f u¨ r den Betrieb im Orbit, ein Reservesatellit im Orbit und ein Reservesatellit am Boden f u¨ r den Fall, dass einem der beiden im Orbit etwas passiert. Ein Kompromiss sieht die Beschaffung von 21/2 Satelliten vor: Einer f u¨ r den Betrieb, einer in Reserve und die Bauteile, die lange Beschaffungszeiten haben (Long Lead Items), f u¨ r einen Dritten, so dass bei Ausfall des ersten Satelliten ein Dritter rasch gefertigt werden kann. Nachdem sich die Kommunikationssatelliten f u¨ r den Betrieb im geostation¨aren Orbit heute als sehr zuverl¨assig erwiesen haben und auch die Einsch¨usse – in Abh¨angigkeit von der verwendeten Rakete – sehr erfolgreich sind, arbeiten viele Betreiber mit nur zwei Satelliten. Eine weitere Reduzierung des Aufwandes wird oft erreicht, indem nur ein Satellit plus ein nicht integrierter Zweiter gekauft wird, mit einer Buy-Back-Option f u¨ r den Zweiten. Wird er nicht ben¨otigt, nimmt ihn der Hersteller zur¨uck und richtet ihn f u¨ r einen anderen Kunden her. Wird er doch ben¨otigt, wird er in k¨urzester Zeit integriert und eingeschossen – diese Zeit hat man heute, nach f u¨ nfzig Jahren Raumfahrterfahrung gehen die Satelliten nicht unerwarteterweise u¨ ber Nacht kaputt, sondern sieht man Probleme Monate im Voraus. Kosten von Satelliten Die Kosten f u¨ r ein Satellitenkommunikationssystem setzen sich aus den Teilsystemen Raumsegment (Satelliten einschliesslich Start, Betrieb und Versicherung), 3 4 5 6 7

Very Small Aperture Terminal, Stationen kleinster Apertur f¨ur den Betrieb bei 11/14 GHz Satellite Interactive Terminal, ein VSAT f¨ur den Betrieb bei 20/30 GHz Ein auch breitbandf¨ahiges advanced business communications via satellite terminal Telephony Earth Station; 4 Mb/s mit 2 m Antenne Personal Earth Station, nur f¨ur Daten, nicht f¨ur Telefonverkehr

404

12 Wirtschaftlichkeit

Bodensegment (Bodenstationen einschliesslich Gateways plus terrestrischer Weiterverteilung und Satellitenkontrollstation sowie Erdfunkstelle f u¨ r Fernseheinspeisung) zusammen. Die Tabelle zeigt typische Satellitenkosten: VITA ORBCOMM SAFIR GlobalStar8 GPS HS376 Amos HS601 EUTELSATII

 1 Mio $ 5 Mio $ 6 Mio $ 15 Mio $ 25 Mio $ 35 Mio $ 45 Mio $ 65 Mio $ 75 Mio $

HotBird INTELSAT˛ HS702 Thuraya Skynet EAST INMARSAT-4 ERS9 MilStar

80 Mio $ 100 Mio $ 100 Mio $ 260 Mio $ 200 Mio $ 260 Mio $ 333 Mio $ 1 000 Mio $ 2 000 Mio $

Die Investitionen werden u¨ ber eine Amortisation auf j¨ahrliche Kostenanteile verteilt. Dabei m¨ussen die verschiedenen Abschreibungszeitr¨aume f u¨ r Geb¨aude, Ger¨ate etc. sowie der Satellitenstartkalender ber¨ucksichtigt werden. Die Betriebskosten f u¨ r die Satellitenkontrolle belaufen sich auf ca.1 M€ p.a., je nach Satellit. Damit erh¨alt man sowohl die Gesamtsystemkosten des Satellitensystems als Absolutangabe, als auch den Vergleich mit der terrestrischen Weitverkehrsl¨osung. Typische Kosten f u¨ r einen Satelliten mit ca. 100 Transpondern sind Satellit Start Startunterst¨utzung Versicherung Gesamt

260 Mio$ (1 Flugeinheit) 90 Mio$ 10 Mio$ (durch externe Bodenstationen) 40 Mio$ 400 Mio$

Der Hersteller nimmt 5% des Betrages bei Abschluss des Kaufvertrags f u¨ r einen Satelliten mit 15 Jahren Betriebszeit, 80% bei Auslieferung und je 1% pro Jahr im Betrieb; sollte der Betrieb vorzeitig enden, enden die Zahlungen. Zum prinzipiellen Vergleich der Telefonkanalkosten im Satellitenfunk zum Kabel ist in Abb. 12.1 eine Trendentwicklung gezeigt. Geht man davon aus, dass die Materialkosten des Kabels gegen¨uber den Verlegungskosten vernachl¨assigbar sind, dann folgen die Gesamtkosten den Lebenshaltungskosten, die in der oberen Kurve der Abb. 12.1 dargestellt sind. Demgegen¨uber stehen die Geb¨uhren eines typischen Satellitensystems (INTELSAT), die, trotz Inflation, stetig fallen; beginnend mit 33 000 US$/Jahr f u¨ r den Sprachkanal in 1965 liegen sie heute unter 1 000 US$/Jahr. G¨angige Tarife f u¨ r die Satellitendaten¨ubertragung sind in Abb. 12.2 gezeigt.

8 9

bei St¨uckzahlen ab 50; ca. 20 Mio $ bei einstelligen St¨uckzahlen Environmetal Reseach Satellite, ein Erderkundungssatellit, f¨ur den es keinen Gesch¨aftsplan gibt

12.1 Kosten f¨ur das Raumsegment

405

0,09 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0,00 2001

2003

2005

2007

2009

2011

2013

2015

¨ Abb. 12.2 Die degressiven Ubertragungstarife

Startkosten Die Startkosten sind heute durch den internationalen Wettbewerb (USA, Europa, Russland, China, Indien) etwas niedriger geworden. Als Richtschnur gilt: 1 kg in den Orbit kostet LEO: GEO:

ca. 10 k€ bis 20 k€ im Westen, ca. 5 k€ bis 10 k€ im Osten (Russland, China), ca. 20 k€ bis 30 k€ im Westen, ca. 10 k€ bis 20 k€ im Osten.

Versicherungspramien Es ist betriebswirtschaftlich sinnvoll,den Start eines Satelliten zu versichern,so dass bei Fehlstart mit der Entsch¨adigung ein Ersatzsatellit beschafft werden kann. Die Kosten f u¨ r den Wiederholstart tr¨agt oft der Betreiber der Startrakete. Die Versicherungspr¨amien f u¨ r den Start liegen im Mittel bei 12,5% (5% f u¨ r bew¨ahrte Satelliten zu guten Zeiten und bis zu 20% fu¨ r problembehaftete Satelliten auf Raketen, die o¨ fters Probleme haben). Die Versicherung des Starts plus erstes Betriebsjahr kostet zurzeit ca. 12,5%. Die In-Orbit-Versicherung f u¨ r die weiteren Betriebsjahre ist zurzeit kaum zu bekommen, da in den letzten Jahren sehr viele (amerikanische) Satelliten nach dem ersten Jahr im Orbit ausgefallen sind. Pr¨amien belaufen sich auf circa 1% pro Jahr. AssureSat Nach 50 Jahren Raumfahrt sind die Satelliten heute so ausgereift, dass sie in der Regel ohne kolozierte Reservesatelliten betrieben werden k¨onnen. Wenn doch ein Satellit ausf¨allt, erh¨alt der (versicherte) Betreiber zwar die Versicherungsentsch¨adigung, mit der er sich einen neuen Satelliten kaufen kann, aber dies dauert zwei Jahre, und in der Zeit entgleiten ihm die Kunden zur Konkurrenz.

406

12 Wirtschaftlichkeit

AssureSat ist eine Firma in USA, die anstatt einer Versicherung Satellitenkapazit¨at im Orbit f u¨ r Betreiber von Satellitens anbietet. Der Vorteil f u¨ r den Betreiber, der zahlendes Mitglied bei AssureSat ist: er kann die AssureSat-Transponder sofort in Betrieb nehmen, wenn sein Satellit ausf¨allt. Die Firma reserviert geeignete Orbitkapazit¨at f u¨ r ihn. Hierzu dienen drei grosse Satelliten im GEO. F¨allt ein Kunden-Satellit aus, schiebt AssureSat einen dieser Satelliten auf die Position des Havaristen. Dazu sind die AssureSats in der Lage, zehn L¨angengrad oder mehr pro Tag zur¨uckzulegen. Der Kunde bezahlt eine Geb¨uhr f u¨ r die Zeit des Ausfalls. Wenn gen¨ugend viele Betreiber Kunden bei AssureSat werden und nicht mehr als drei Betreibersatelliten gleichzeitig ausfallen, gewinnen die Betreiber durch den fast ausfallsfreien Betrieb und die AssureSat durch die festen Mitgliedsbeitr¨age und die zus¨atzlichen Ausfallsgeb¨uhren. Monats- und Jahresgebu hren von Tanspondern F¨ur die Nutzung der Satelliten von EUTELSAT, INTELSAT oder PANAMSAT verlangen die Betreiberfirmen typischerweise die folgenden Monatsgeb¨uhren (unidi¨ rektionale Simplex-Ubertragung; ein Sprechkreis besteht aus zwei Kan¨alen): EUTELSAT ECS-II: INTELSAT Ku-Band: PANAMSAT Ku-Band:

€ 1 400 pro Kanal, pro Monat € 1 000 pro Kanal, pro Monat € 850 pro Kanal, pro Monat

Diese Preise sind mit Vorsicht zu geniessen, da sie stark abh¨angen von – der Dauer des Leasings (1 Monat Minimum; viele Jahre m¨oglich) – dem Volumen des Leasings (64 kbit/s Minimum; viele Transponder m¨oglich) – dem gew¨unschten Bedeckungsgebiet (viele wollen Osteuropa, wenige den S¨udpazifik) – der Gr¨osse der Bodenstationen (und der damit ben¨otigten Satellitensendeleistung). Neben den Kosten pro Bandbreite kann man auch die Kosten pro u¨ bertragenem Byte betrachten. Hier liegen die Broadband Interactive Multimedia Satelliten mit ihrer bordseitigenVermittlung deutlich g¨unstiger als die konventionellen Raumsegmente.Man beobachtet Tarife deutlich unter 1 €/MB,zuk¨unftig bis hin zu 0,01 €/MB. Was kann man mit 1 MB (8 000 000 bit) u¨ bertragen? Die Dienstevolumina sind wie folgt: 1 2 3 4 5 6 7 8 9

eine Silbe komprimiert eine Silbe unkomprimiert eine DIN A4 Seite Text eine Diskette eine Single ein Fernsehfilm (MPEG7) eine CD eine DVD Eine Laptop-Festplatte

0,00004 MB 0,002 MB 0,003 MB 1,4 MB 20 MB 200 MB 800 MB bis 20 000 MB > 200 000 MB

12.1 Kosten f¨ur das Raumsegment

407

Es gibt verschiedene Typen von Transpondern, die nach den Anforderungen des jeweiligen Dienstes eingesetzt werden. Die unterste Kategorie von Transponderkapazit¨at ist die zeitweise Anmietung von 100 kHz-Bandbreiten. Bei entsprechendem Bedarf k¨onnen ganze Transponder mit 36 oder 54 MHz Bandbreite langzeit gemietet werden. Wenn es der Einsatz gestattet, ist es wirtschaftlich, solche Transponder nicht auf den so genannten Prim¨ar-Satelliten zu mieten, sondern auf Reserve-Satelliten oder ’ausgedienten’ (ausgemusterten) Satelliten, die noch funktionst¨uchtig sind. Bei INTELSAT Leases gelten im Allgemeinen die folgenden Grundregeln: i) der gemieteten Bandbreite im Transponder wird anteilsm¨assige Leistung zugewiesen; will der Kunde mehr Leistung, ergibt sich die Miete aus dem Verh¨altnis dieser Leistung zur Transpondergesamtleistung; ii) aus i) folgt: je kleiner die Erdfunkstellen, desto gr¨osser die Satellitenleistung, desto h¨oher die Mietkosten; iii) es gibt kaum Bandbreitenarbitrage, 10 MHz kostet ca. 10-mal so viel wie 1 MHz; iv) es gibt einen merklichen Langzeitnachlass: 1 Jahr ⇒ Grundpreis 5 Jahre ⇒ 20% billiger 10 Jahre ⇒ 30% billiger 15 Jahre ⇒ 40% billiger v) die Mieten im Global Beam und in den Spot Beams sind a¨ hnlich; der Global Beam hat weniger Leistung aber globale Bedeckung; ein Spot Beam hat h¨ohere Leistung aber nur in einer begrenzten Region; vi) Pre-emptable Leases sind 20 bis 30% billiger als garantierte Festmieten. Abbildung 12.3 zeigt typische Transpondermietkosten f u¨ r verschiedene Regionen der Welt.

2.5

Mio US$

2.0 2002 2003

1.5 1.0 0.5 0.0 Western Europe

North America

Asia Pacific

Africa & Mid. East

Latin Central & South America E.Europe Asia

Abb. 12.3 Typische Transpondermietkosten f¨ur verschiedene Regionen der Welt

408

12 Wirtschaftlichkeit

Terminalkosten versus Betriebskosten Die EUTELSAT verlangt z.B. fu¨ r einen Simplex-Kanal mit 64 kbit/s 1 200 € pro Monat; dieser Tarif h¨angt von der Qualit¨at der Bodenstation ab (Empfangsempfindlichkeit in [K] und Sendeleistung in [W]) und kann bis zu 1 600 € f u¨ r 1,8 mAntennen betragen, oder auch nur 600 € f u¨ r 2,4 m-Antennen, die weniger Satellitensendeleistung erfordern. ’The cheapest VSATs is not the cheapest system solution!’ Bis 1 024 kbit/s steigt der Tarif nahezu linear mit der Bitrate; danach weniger als linear, so dass bei 2 048 kbit/s eine Bandbreitenarbitrage von z.B. 2/3 entsteht. Die Leasingkosten f u¨ r einen Transponder (im Wide Beam u¨ ber Osteuropa und mit Back-Up Satellite) ist etwa 2 Mio €/a. Interessanterweise sind diese Kosten etwa dieselben f u¨ r einen 36 MHz Transponder wie f u¨ r 72 MHz Transponder, was sinnvoll ist: Die Kosten stecken in der Satellitensendeleistung, nicht in der Bandbreite. Typische Transponder-Jahresmieten sind in Tabelle 12.1 gezeigt. Leasing-Arten sind Non-Preemtable (garantierte Bandbreite und Leistung) und Preemtable. Tabelle 12.1 Transponder Leasing Rates Frequenz- Bandbreite EIRP @ EoC10 HF-Leistung Art des Kosten p.a. Band [MHz] [dBW] [W] Leasing [M€] INTELSAT VI C 36 31 4,5 Non-Pre 0,7 INTELSAT VI C 72 31 4,5 Non-Pre 1,1 SATCOMF4 C 36 33 5,5 Non-Pre 1,1 SATCOMF4 C 36 33 5,5 Pre 1,0 ASIASAT C 36 31 10 Non-Pre 1,5 PALAPA C 34 34 10 Non-Pre 0,7 PANAMSAT C 72 34 16 Non-Pre 1,3 INTELSAT Ku 54 35 20 Non-Pre 1,0 JCSAT Ku 27 50 20 Non-Pre 3,5 EUTELSAT II Ku 36 48 50 Non-Pre 3,4 PANAMSAT Ku 72 34 16 Non-Pre 2,8 GSTAR Ku 54 37 20 Non-Pre 1,8 GALAXY Ku 27 47 50 Non-Pre 2,1 Satellit

Entwicklung der Transponderkosten/Jahr in den Weltregionen (Mio €) Freq.-Band C Ku

10

Europa 1,5– 2,5 2,0–8,0

USA 1,0–2,0 1,5–2,0

EoC = Edge of Coverage (der Rand der Bedeckung)

S¨udamerika 1,5–2,5 2,0–4,0

Asien 1,0–3,0 3,0–6,0

12.2 Modelle zur Realisierung von nationalen Satellitensystemen

409

Entwickung der Transponderkosten am Beispiel EUTELSAT Die Tabelle zeigt die EUTELSAT-Transpondergestehungskosten von 1986 bis 1995: EU-II 1986 2,6

Hot Bird 1994 1,7

W24 1995 1,4 Mio DM11/Transponder-Jahr

Der Wert eines Transponders Oft wird der Wert eines Transponders an seiner Bandbreite (BW) gemessen; dies ist fast so falsch wie ihn an seiner Leistung (EIRP) zu messen.Ein 40 Watt-Transponder ¨ in 40 MHz erm¨oglicht eine gewisse Ubertragungsleistung; die Bandbreite auf 80 MHz zu spreizen, unter Beibehalt der 40 W, macht den Transponder halb so n¨utzlich. Es ist die spezifische Leistung (EIRP/BW in W/Hz), die ausdr¨uckt, wie viel der Transponder u¨ bertragen kann. Aber auch dieser Faktor ist nicht hinreichend, denn er sagt nichts dar¨uber aus, wie die Transponderleistung die geographischen Anforderungen erf u¨ llt; f u¨ hrt man f u¨ r die Erf u¨ llung der geographischen Anforderungen den Coverage Factor CF ein, CF = 3, die Ausleuchtung passt genau (exactly suited) CF = 2, die Ausleuchtung passt halbwegs (half way suited) CF = 1, die Ausleuchtung passt nur moderat (moderatly suited) CF = 0, die Ausleuchtung passt nicht (not suited) dann l¨asst sich der Wertfaktor eines Transponders (Value of Transponder,VoT) mit dem Trippelprodukt ausdr¨ucken: VoT = EIRP ∗ CF / BW [W/Hz]. Nat¨urlich ist es mehr Aufwand, eine spezifische Leistung (in W/km2 ) f u¨ r eine gr¨ossere Fl¨achenbedeckung herzustellen; die Gr¨osse der Fl¨ache geht aber nicht in den VoT ein, da sie nicht automatisch gew¨unscht wird – der Kunde will eventuell nur die Schweiz bedienen, und alles was dar¨uber hinausgeht, ist unn¨utz. Der VoT ist nicht physikalisch unterlegt, sondern ein Mass der Betriebswirtschaftlichkeit.

12.2 Modelle zur Realisierung von nationalen Satellitensystemen Lease or Rent Das f u¨ r den Einstieg kosteng¨unstigste Vorgehen ist, anstatt ein System aufzubauen und zu betreiben, die ben¨otigte Satellitenkapazit¨at zu mieten (Lease Or Rent; LOR).

11

1,4 Mio DM entsprechen ca. 700 000,– €

410

12 Wirtschaftlichkeit

Build, Operate and Own Die konventionelle Vorgehensweise ist, das System aufzubauen, zu betreiben und zu besitzen (Build, Operate and Own; BOO) Build, Operate and Transfer Eine pfiffigeVorgehensweise ist,einen Betreiber das System aufbauen und betreiben zu lassen, mit der Auflage, dass er es nach n Jahren kostenlos transferiert (Build, Operate and Transfer; BOT). In der Zeit kann er trotz der Investition einen Profit erwirtschaften. Das Land hat in dieser Zeit selbst keine Investitionen und danach ein funktionierendes System – umsonst. Jeder hat gewonnen. License to Build and Operate Eine Vorgehensweise in L¨andern,die ein System nicht selbst finanzieren und betreiben wollen, ist, eine Lizenz auszuschreiben und an einen Anbieter zu vergeben, der dann ein Satellitensystem aufbauen und auf eine Laufzeit (z.B. 30 Jahre) betreiben darf (License to Build and Operate; LBO). Auf diese Weise kommt das Land ohne eigene Mittel zu der Kommunikationsinfrastruktur. Wenn das Land auch noch Lizenzgeb¨uhren erhebt, kommt es ausserdem noch zu Geld.

12.3 Wirtschaftlichkeit eines Satellitensystems 12.3.1 Fernsehausstrahlung Die Wirtschaftlichkeit der satellitengest¨utzten Fernsehausstrahlung steht ausser Frage. Die Beschaffung eines 1 000 Fernsehprogramme verteilenden Satellitensystems – mit 20 Jahren Lebensdauer – kostet nur etwa so viel wie der Betrieb des terrestrischen Fernsehsendernetzes in einem Jahr: Die 15 000 F¨ullsender der o¨ ffentlichrechtlichen in Deutschland allein kosten 500 Mio € p.a., ohne dass dabei ein gleich hoher Versorgungsgrad erreicht w¨urde. Die Fa. SES (Lux) ist den Weg der Satellitenabstrahlung konsequent gegangen. Mit Einf u¨ hrungspreisen wurden erste Programme gewonnen; danach entstand eine „Sogwirkung“, die dann selbst die o¨ ffentlichrechtlichen Programme einbrachte. Es sind in Europa etwa 100 Mio ASTRA-Heimempfangsanlagen zu Investitionskosten von im Mittel 1 000 € in Betrieb, also eine Investition am Boden von 100 Mrd €. Das ASTRA-Raumsegment kostet ca. 6 Satelliten zu je etwa 165 Mio €, also rund 1,0 Mrd €. Diese Summe deckt einen Zeitraum von ca. 20 Jahren ab. Mit 1 000 Transpondern a` 5 Mio €/a Transpondermiete w¨urde man – Vollbelegung angenommen – 5 Mrd € p.a. einnehmen, in 20 Jahren 100 Mrd €, abz¨uglich 1,0 Mrd € f u¨ r das Raumsegment, abz¨uglich Betriebskosten immer noch ein Gewinn. Das kostenintensive Bodensegment wird von den Nutzern finanziert. Die Kosten der Nutzerantennen einschliesslich Installation liegen bei der Satellitenanlage niedriger als bei den Geweihantennen.

12.3 Wirtschaftlichkeit eines Satellitensystems

411

F¨ur den Satellitenempfang sind Parabolantennen erforderlich. Je kleiner die Antenne, desto billiger, je gr¨osser desto regensicherer das Bild. Ausserdem weisst die gr¨ossere, direktivere Antenne die St¨orstrahlungen der Nachbarsatelliten ab. F¨ur den gleichzeitigen Empfang von ASTRA auf 19,2◦O und HotBird auf 13,0◦ O darf die Antenne aber nicht viel gr¨osser als 85 cm sein, damit ihr Wirkungsgrad durch die beiden defokussierten Speisesysteme nicht zu sehr abf¨allt. 12.3.2 Geschaftskommunikation Im Folgenden sind die Eckparameter eines Satellitensprechkreises aufgef u¨ hrt. Die in der Tabelle genannten Sprechkreisparameter („50 000 min, 4% aktiv etc.>/) sind branchen¨ublich; die genannten Kosten verfallen mit der Zeit. Tabelle 12.2 Die Eckparameter eines Satellitensprechkreises 1

Wie viel Minuten ist ein Telefon p.a. genutzt:

Ein Telefon produziert 2 424 Minuten p.a.

2

Was ist die mittlere Verkehrsintensit¨at eines Telefons:

Das Telefon ist 4% der Zeit aktiv (0,04 Erlang)

3

Wie viel tr¨agt ein Satellitensprechkreis:

Ein Satellite Circuit produziert 50 000 Minuten p.a.

4

Wieviele Sprechkreise (2 10 kHz) und -minuten tr¨agt ein Transponder:

54 MHz ÷ 20 kHz = → 2 700 Sprechkreise, also 2 700 50 000 Min → 135 106 Gespr¨achsminuten

5

Wieviel verdient ein Transponder:

135 106 min a` 0,05 €/min → 6,75 Mio € p.a.

6

Was kostet ein Transponder:

Typische Kosten k¨onnen sein: 0,675 Mio € p.a.

7

Wieviele Telefone bedient ein Satellitensprechkreis:

Pro Satellitenkanal 50 000 min / 2 424 min → 21 Telefone pro Satellitensprechkreis

8

Wieviele Telefone bedient ein Transponder:

21 Telefone pro Satellitensprechkreis 2 700 Sprechkreise → 56 700 Telefone pro Transponder

9

Wieviele VSATS pro Transponder:

(21 Tel / Crt) ÷ (20 Tel / VSAT) → 1 VSAT / Crt; 2 700 Crt → 2 700 VSATs pro Transponder

10 Was kosten die VSATs pro Transponder:

2 700 VSAT / Transponder a` 400 $ per VSAT → 1 Mio € f¨ur die VSATs

Ein Transponder kann 56 700 Teilnehmer anbinden. F¨ur z.B. 10 Mio Teilnehmer ben¨otigt man ca. 200 Transponder, die Gr¨ossenordnung eines GEO-Satelliten. Die Kosten des Raum- und Bodensegments Es ist wirtschaftlich sinnvoll, die Satellitensendeleistung zu erh¨ohen, weil die Kosten des Gesamtsystems dadurch niedriger werden. Siehe ASTRA: Ca. 1997 waren

412

12 Wirtschaftlichkeit

europaweit 12 Millionen Heimempfangsanlagen beschafft worden, a` ca. 500 k€ im Mittel, eine Investition von 6 Mrd €, der in erster N¨aherung ein Satellitenpreis (einschl. Start) von ca. 60 Mio € gegen¨ubersteht; das Verh¨altnis von Raum- zu Bodensegmentkosten ist hier 1: 100. In der ortsfesten Gesch¨aftskommunikation ist das Verh¨altnis von Raum- zu Bodensegmentkosten durchschnittlich > 1: 10. 12.3.3 Das Betreibergeschaft im Vergleich zum Herstellergeschaft Ein Transponder l¨asst sich f u¨ r durchschnittlich 1,35 Mio $/Jahr vermieten. Ein Satellit mittlerer Gr¨osse hat 40 Transponder und kostet 75 Mio $ zuz¨uglich 55 Mio$ f u¨ r den Einschuss und 5 Mio f u¨ r Launch Support etc. Die Lebensdauer betr¨agt ca. 16 Jahre. Der Betreiber erh¨alt also f u¨ r seine ca. 135 Mio $ Investition 640 Transponderjahre, die er f u¨ r 864 Mio $ verkaufen kann (abz¨uglich Betriebskosten von ca. 1 Mio $ p.a., bleiben 848 Mio $). Obgleich diese Grobrechnung die Finanzierungskosten vernachl¨assigt und optimistisch davon ausgeht, dass alle Transponder u¨ ber die Lebenszeit des Satelliten vermietet sind, zeigt sie doch den grunds¨atzlichen Unterschied im Profit eines Betreibers relativ zum Hersteller (der mit einem 75 Mio $Satellit weniger Profit macht). Die Betreiber geostation¨arer Kommunikationssatelliten machen weltweit guten Umsatz (ca. 10 Mrd € p.a.), die amerikanischen davon ca. 30%. Die Jahreseinnahmen der sieben grossen Betreiber (von 140) waren in 2000 wie folgt: Firma

Einnahmen

DirecTV

5,2 Mrd €

EchoStar

2,7 Mrd €

Astra/GE-Americom

1,5 Mrd €

41 (19.2 O)

8

Intelsat

1,4 Mrd €

14

19 (global )

10

PanAmSat

1,2 Mrd €

20 (global)

Eutelsat

0,7 Mrd €

Loral Space& Comm’s 0,6 Mrd € In Summe

Satelliten

Satelliten bestellt

Teilnehmer

$/Monat

5 (101◦W)

1

10 Mio

59,00

5 (110◦W12 )

2

6 Mio

◦

15

90 Mio

45,30 13

3

18 (global )

6

12 (global)

5

13,3 Mrd €

12.3.4 Das Dienstegeschaft im Vergleich zum Betreibergeschaft Die Einnahmen eines Satellitenbetreibers (Carrier’s Carrier, der z.B. Transponderkapazit¨at f u¨ r VSAT-Dienste an Carrier vermietet), ist 2,5 Mio $ per TransponderJahr. Der Carrier wird z.B. 16 kbit/s CSVDM-Kan¨ale, QPSK-moduliert in 13,5 kHz 12

Diese Position wurde von MCI/NewsCorp f¨ur 785 Mio $ ,¨ubernommen‘. 12 Mio davon in D 14 die ,goldene‘ davon auf 24,5◦W; Sicht von Mexiko bis Iran 15 die ,goldene‘ davon auf 13,0◦O, neben ASTRA 13

12.3 Wirtschaftlichkeit eines Satellitensystems

413

u¨ bertragen, 5 400 Kan¨ale (2 700 Kreise) im 54 MHz-Transponder. Ein DAMASatellitenkreis bringt 50 000 Gespr¨achsminuten pro Jahr (10% Belegung); mit z.B. 0,05 €/min erwirtschaftet der Carrier 50 000 min 0,05 € 2 700 Kreise = 13,5 Mio € per Transponderjahr. 12.3.5 Weltweite Open Skies Das WTO/GATTS-Abkommen zu Basistelekommunikationsdiensten wurde am 15.02.1997 geschlossen: 69 Mitgliedsstaaten der Welthandelsorganisation – einschl. ¨ der EU – erzielten eine Ubereinkunft zur Liberalisierung des weltweiten Telekommunikationsmarktes, dessen Volumen (1997) auf u¨ ber 600 Mrd $ gesch¨atzt wurde (ca. 1 Bio $ in 2000). 12.3.6 Rentabilitat von INTELSAT Kanalen Die Anmietung von INTELSAT-Kapazit¨at kostet unterschiedlich und abh¨angig von – – – –

dem Frequenzband (4 GHz, 11 GHz, . . . ) der Frequenzbandbreite (64 kHz . . . 72 MHz) dem Ausleuchtgebiet (Global, Hemi, Zone, Spot, Dot) der Dauer der Miete (Monat, Jahr, Jahrzehnt).

Im Ku-Band kann die Miete von 2 MHz Bandbreite f u¨ r ein Jahr z.B. 100 k€ kosten. Wenn INTELSAT den 36 MHz-Transponder im Mittel zu 80% auslastet, verdient sie so 1,8 Mio €/a pro Transponder oder 86,4 Mio €/a pro Satellit (unter der Annahme, dass alle 48 Transponder im Satelliten die gleiche Wirtschaftlichkeit erbringen, was sicherlich nicht der Fall ist). Realistisch kann der Satellit bis zu 100 Mio $/a verdienen. Die Investitionskosten sind typischerweise 100 Mio $ f u¨ r die Flugeinheit und 100 Mio $ f u¨ r ihren Einschuss; die Lebensdauer ist im Mittel 15 Jahre (INTELSAT VIII 20 Jahre), so dass im Mittel 1 500 Mio $ Einnahmen sind, abz¨uglich 200 Mio $ Investitionskosten (mit Verzinsung etwa 20 Mio $/a), direkten Betriebskosten (der weltweiten Satellitenkontrollzentren; ca. 100 Mio$/a) und allgemeine Betriebskosten (der INTELSAT Organisation; ca. 300 Mio $/a), die sich aber auf ca. 10 Satelliten verteilen (ca. 40 Mio $/a). 12.3.7 Die Wirtschaftlichkeit eines Mega LEO fu r Breitbanddienste Das TELEDESIC-System sollte aus 288 Satelliten bestehen und ca. 10 Mrd $ kosten, bei einer Satellitenlebensdauer von 5 Jahren. Es h¨atten also j¨ahrlich etwa 60 Satelliten gestartet werden sollen, um das System durchg¨angig in Betrieb zu halten; einschliesslich Betrieb kostet dies etwa 1 Mrd $/Jahr. Die Finanzierungskosten hierf u¨ r belaufen sich auf weitere 1 Mrd $/Jahr, so dass 2 Mrd $/Jahr h¨atten aufgebracht werden m¨ussen. Ein Gesch¨aftsplan k¨onnte sein: 20 Mio Teilnehmer zahlen ca. 10 € Monatsgeb¨uhr; TELEDESIC nimmt 2 Mrd € pro Jahr ein. Das unl¨osbare Problem ist der Aufwuchs (Ramp-Up) der Teilnehmer von Null auf 20 Millionen. Dies dauert drei bis f u¨ nf Jahre, so dass die erste Generation von Satelliten schlecht

414

12 Wirtschaftlichkeit

ausgelastet betrieben werden muss und die Einnahmen die get¨atigten Ausgaben nicht bezahlen (TELEDESIC wurde nicht realisiert). 12.3.8 Die Wirtschaftlichkeit eines Big LEO fu r Kommunikation Ein Big LEO mit einer Lebensdauer von 8 Jahren kostet 2 Mrd $, also 250 Mio $ p.a. Dieser Wert beinhaltet die Beschaffung der Satelliten, der Bodenstationen, die Einsch¨usse und die Finanzierungskosten (sowohl f u¨ r die Satelliten als auch f u¨ r die Einsch¨usse m¨ussen bei Vertragsabschluss Anzahlungen get¨atigt werden). Das System hat 150 000 Sprachkan¨ale (75 000 Sprechkreise). Folglich kostet ein Sprechkreis 3 333 $/Jahr. Ein Satellitensprechkreis im Mobilfunk produziert 12 500 Gespr¨achsminuten p.a. In den Kosten pro Minute sind 1 $ f u¨ r das Raumsegment enthalten. Jeder Sprechkreis sch¨opft also 12 500 $/Jahr. Der Teilnehmer bezahlt mehr als 1 $ f u¨ r die Gespr¨achsminute (weniger als 0,1 $ im GSM). Nun sind aber 75% der Erdoberfl¨ache Wasser; das Verdienst aller Sprechkreise ist im Mittel 1/4 oder 3 125 $/Jahr.Nun sind 75% der Landfl¨ache unterentwickelt; der Verdienst aller Sprechkreise ist noch einmal 1/4 oder 718 $/Jahr. Das System rechnet sich marginal; es ist zwingend notwendig, von einer Regierung der Ersten Welt grundfinanziert zu werden und einen grossen Teil der unterentwickelten Landfl¨ache als zahlenden Kunden zu bekommen. Dort wird aber bei Gespr¨achskosten von u¨ ber 1 $ wenig Verkehr entstehen. Auch hier ist der Aufwuchs (Ramp-Up) ein Hemmfaktor. Nicht nur dauert es eine gewisse Zeit bis die Teilnehmer ins System kommen, sondern das System hat auch nicht sofort in allen L¨andern „Landerechte“. Selbst INMARSAT brauchte 25 Jahre um in den USA „Landerechte“ zu erhalten (die ihr zurzeit wieder strittig gemacht werden). Diese Wirtschaftlichkeitsbetrachtung braucht f u¨ r Systeme, die mehr als drei mal so viel kosten und knapp halb so lang leben, nicht explizit durchgef u¨ hrt zu werden. 12.3.9 Die Wirtschaftlichkeit eines Little LEO fu r Position Reporting Die N¨utzlichkeit und Wirtschaftlichkeit der Kenntnis des momentanen Standortes der Fahrzeuge einer Flotte oder Container eines Transportunternehmens ist unumstritten. Sowohl EUTELSAT als auch INMARSAT bieten diese Tracking- and Position Reporting-Dienste an. Bei INMARSAT sind die Geb¨uhren 0,40 € pro 256 Bit (die Minimumgeb¨uhr), d.h. 0,0015 € pro Bit. Der INMARSAT Standard C-Dienst soll zuk¨unftig ca. 0,5 €/min kosten. Das sind 600 bit/s 60 s = 36 kbit oder 0,014 €/1 000 bit. Eine Positionsmeldung mit 256 bit kostet 0,0035 €. Wenn jeder der 25 Millionen Container in Europa seine Position alle drei Stunden absetzt, sind das 25 106 8 256 bit = 50 Mrd bit/Tag oder 18,7 1012 bit/a. Wenn 25 Millionen Kraftfahrzeuge das gleiche Volumen u¨ bertragen (obwohl weniger Betriebsstunden pro Tag und weniger Arbeitstage als 365 im Jahr, ¨ aber h¨aufigere Ubertragung), dann ergibt sich in der Summe 37,4 1012 bit/Jahr. Wenn mit 0,0005 € pro bit verrechnet, erg¨aben diese Einnahmen von 18,7 Mrd € p.a. in der Region.

12.5 Die Wirtschaftlichkeit eines Navigationssystems

415

12.4 Die Wirtschaftlichkeit Kabel versus Satellit ¨ Die Frage,ob eine Ubertragung u¨ ber Satellit oder per Kabel wirtschaftlicher wird,ist sp¨atestens seit der Verf u¨ gbarkeit der Glasfaser berechtigt. Dabei ist das Kabel dort vorzuziehen, wo die Verbindung hohe Kapazit¨atsanforderung hat und hinreichend langfristig ist. F¨ur kleine Datenraten, die nur sporadisch auftreten oder kurzfristig verlangt werden, wird man keine Kabel verlegen. Grosse Datenraten im Tbit/s-Bereich sind im Satelliten mit seiner begrenzten Bandbreite schwer unterzubringen. Moderne Glasfaserkabel bieten vierzig Spektralbereiche f u¨ r den FDMA-Betrieb (den man dort Wavelength Division Multiple Access nennt), mit 40 Gbit/s pro Wavelength (also ≈0,2 Tbit/s pro Fiber) und arbeiten von New York bis Los Angeles ohne Zwischenverst¨arker. Das Fiber Link Around the Globe (FLAG) f u¨ hrt um die Erde; der uns am n¨achsten untergebrachte Kabelkopf (Bridgehead)16 befindet sich in Marseille. Das Kabel ist umso n¨utzlicher, je n¨aher man am Bridgehead ist.Wenn man auf dem Weg nach Japan erst u¨ ber Satellit von Berlin nach Marseille gehen muss, kann man gleich u¨ ber Satellit von Berlin nach Japan gehen. Das Kabel ist leistungsf¨ahig f u¨ r Punkt-zu-Punkt Verbindungen; der Satellit eignet sich vorz¨uglich f u¨ r 100%-ige Fl¨achendeckung. Beim Kabel muss der Nutzer die ¨ Ubertragung so akzeptieren, wie er sie bekommt. Bei Satelliten¨ubertragung hat er Gestaltungsm¨oglichkeiten: Er kann die Qualit¨at, die Bitfehlerrate und insbesondere ¨ den Ubergabeort, den Standort der Erdfunkstelle, bestimmen. Das Kabel bietet Schutz gegen elektromagnetische St¨orer, wo dies ein Thema ist. Es ist aber empfindlicher gegen Naturereignisse, gegen St¨urme, Erdbeben, Hochwasser etc., und insbesondere gegen Strassenbau und Haifischbisse bei Tiefseekabeln. Wegen dieser Probleme auf der Erde sind in vielen Staaten Satelliten f u¨ r Kommunikation bei Naturkatastrophen vorgesehen. Die Laufzeit bei Kabeln und tief fliegenden Satelliten ist klein, bei geostation¨aren Satelliten betr¨agt sie 1/4 Sekunde. Die Installationsdauer ist bei Kabel und Satellit etwa gleich (wenn man die Satellitenbauzeit mitrechnet); ein Satellitennetz kann aber ungleich schneller und billiger als ein Kabelnetz rekonfiguriert werden, um sich a¨ ndernden Verkehrsprofilen anzupassen. F¨ur Abstrahlung von TV und H¨orfunk, Satellite News Gathering, flexible Gesch¨aftskommunikation mit VSATs, nationale, regionale und internationale Thin Route Traffic, Mobilfunk bis hin zu UMTS, Katastrophenkommunikation, zeitbegrenzte Anwendungen, UNO-Missionen in Regionen mangelnder Kommunikation und beim Aufbau unterentwickelter Infrastrukturen wird der Satellit noch lange nicht nur wirtschaftlicher sondern die unentbehrliche L¨osung sein.

12.5 Die Wirtschaftlichkeit eines Navigationssystems F¨ur die Betreiber von Flotten ist es von h¨ochster wirtschaftlicher Relevanz zu wissen,wo sich ihre Vehikel befinden.Es gilt,die Kosten eines Satellitenortungssystems 16

Bridgeheads sind Punkte, wo sich das Kabel mit dem nationalen Netz verbindet.

416

12 Wirtschaftlichkeit

zu ermitteln. In erster N¨aherung k¨onnte man an Satelliten der Globalstar-Klasse denken – f u¨ r ca. 25 Mio €. Der aufwendige Einschuss in z.B. den IGSO k¨onnte 40 Mio € kosten. Ein Regionalsystem Europa/Afrika w¨urde zehn Satelliten erfordern, mithin etwa 650 Mio €. Die Missionsdauer sei f u¨ nfzehn Jahre; man m¨usste also 43 Mio €/a (plus Finanzierungszinsen) erwirtschaften. Es gibt in Europa 200 Mio Kraftfahrzeuge mit 14 Mio Neuzulassungen pro Jahr. Wenn auch nur 30% der Neuzulassungen ausger¨ustet und eine einmalige Geb¨uhr von 15 € entrichten w¨urden, w¨aren das schon 63 Mio €/a. Nun w¨urden sicherlich 10% oder mehr der Altzulassungen umr¨usten, eine grosse Anzahl von Taxis, Speditionen, Busunternehmen und Beh¨orden und Organisationen mit Sicherheitsaufgaben (BOS) – wie auch die Bahn, die Binnen- und Hochseeschifffahrt,die private Luftfahrt und der Freizeit- und Touristiksektor.Und wenn das System auch die betriebsbedingte Kommunikation bedient, k¨amen zu den Einnahmen noch die in Kap. 12.3.10 (Wirtschaftlichkeit eines Satellitensystems) f u¨ r Position Reporting genannten Ums¨atze hinzu. Sp¨atestens dann w¨urden die oben nicht ber¨ucksichtigten Projekt- und Betriebskosten mit abgedeckt und ein hinreichender Profit erwirtschaftet werden. Faszinierend sind hier die Relationen, nicht die Detailkalkulation des Akkummulzinses und der Rendite. Etwa 40 000 Arbeitspl¨atze k¨onnte das European Navigation Satellite System generieren und in den Endger¨aten allein bis 2010 etwa 15 Mrd € Umsatz schaffen.

12.6 Zusammenfassung In der Kommunikation und Funkortung liegt das Geld auf der Strasse.Der Betreiber, der es richtig anfasst, kann nur gewinnen und der Nutzer mit ihm. Satelliten in der Umlaufbahn gewinnen zunehmend an Relevanz, wenn sie wirtschaftlich sind; wirtschaftlich waren bislang die geostation¨ar arbeitenden Satellitensysteme. Betrug der Anteil der Satellitenkommunikation noch vor zehn Jahren etwa 1% der Weltkommunikation, sch¨atzte man ihn in 2000 auf ca. 5%. Die Weltkommunikation (Dienste, Ger¨ate und Informationssysteme) belief sich in 2000 auf 1,91 1012 € p.a.17

Literaturhinweise Merrill Lynch, Pierce, Fenner & Smith, ’Global Satellite Communications – Global Satellite Marketplace 98’, Washington, 1998 R. Verrue und J.-E. Cockborne, ,Telekommunikation in Europa – Chancen und Risiken des Marktes‘, Kap. 11.2 im Handbuch der Telekommunikation; Deutscher Wirt-schaftsdienst; K¨oln, 1999 W. Kriegl, H. L¨ohle, and H. Dodel, ,Computer Aided Synthesis Of Communication Satellite Systems‘; Space Communications and Broadcasting, Vol. 3, Nr. 2, 1985 17

Sch¨atzung der ITU, Genf

Anhang A Die Rauschzahl eines Versta rkers mit Bandpassverhalten

A.1 Einleitung Das Rauschen ist der begrenzende Faktor in elektronischen Systemen,insbesondere bei der Funk¨ubertragung. Deshalb ist es notwendig zu verstehen, wie man das Eigenrauschen von aktiven und passiven Komponenten definiert, wie man es misst und welche Bedeutung es f u¨ r das Gesamtsystem hat. Die grundlegende Definition f u¨ r das thermische Rauschen in elektronischen Komponenten stammt von J.B. Johnson, der sie 1928 in den Bell Laboratories in USA erarbeitete. Nun weiss man, dass Komponenten eines Systems aneinander leistungsangepasst sein m¨ussen, um die maximale Leistung von einer Komponente an die andere weitergeben zu k¨onnen „matched impedance“). Da Rauschen ungew¨unscht ist, m¨ochte man es eben nicht weiterreichen. Man w¨urde aus dieser Sicht nicht angepasste Komponenten verwenden. Aber damit w¨urde man erstens auch die Weiterreichung des gew¨unschten Signals verhindern und zweitens w¨are diese Art von Unterdr¨uckung des vorhandenen Rauschens eine Art Kopfwehtablette. Es ist besser zu versuchen, die Ursachen f u¨ r das Kopfweh zu verstehen und zu entfernen. Man nimmt f u¨ r die Erfassung des Rauschens in Ger¨aten den schlimmsten Fall an: leistungsangepasste Komponenten mit einer maximalen Weiterreichung auch des Rauschens. Damit kommt man zum schlimmstm¨oglichen Einfluss des Rauschens in einem Gesamtsystem ,(worst case‘: dies wurde 1928 von Nyquist ebenfalls in den Bell Laboratories erstmals dargestellt). Das G¨utekriterium in elektronischen Systemen ist das Verh¨altnis der Leistung des gew¨unschten Signals s zur Leistung des ungew¨unschten Rauschens r, also s/r, ¨ am Ausgang des Systems (des Ubertragungssystems, des Verst¨arkersystems, etc.; also ,beim Kunden‘, dem Nutzer). F¨ur die Beschreibung der G¨ute von Komponenten sind die Gewinnzahl und die Rauschzahl notwendig und geeignet. W¨ahrend die Gewinnzahl g anzeigt, um wie viel das gew¨unschte Eingangssignal s1 sowohl als auch das ungew¨unschte Eingangsrauschen r1 verst¨arkt werden, sagt die Rauschzahl nf aus, wie viel Eigenrauschen die Komponente dem Eingangsrauschen hinzufu¨ gt.

418

A Die Rauschzahl eines Verst¨arkers mit Bandpassverhalten

A.2 Die Rauschzahl Die Rauschzahl nf ist definiert als der Quotient von Eingangs-Signal/Rauschverh¨altnis s1/r1 zu Ausgangs-Signal/Rauschverh¨altnis s2/r2, s1' r n·f = s'1 (A.1a) 2 r2 Um handhabbare Zahlen zu bekommen, verwendet man meist   N · F = 10 · log n · f

(A.1b)

Auch Signal/Rauschverh¨altnisse gibt man in der Praxis in dB an: S = 10 · log(s) und R = 10 · log(r) Damit wird: S − R = 10 · log

s

(A.1c) r Die Rauschzahl in dB kann also zur Bestimmung des Ausgangs-Signal/Rauschverh¨altnis S2-R2 direkt vom Eingangs-Signal/Rauschverh¨altnis S1-R1 subtrahiert werden: S2 − R2 = S1 − R1 − NF (A.1d) Je gr¨osser also das Eigenrauschen einer Komponente, desto gr¨osser die Rauschzahl nf – desto weniger n¨utzlich ist diese Komponente. Die Gewinnzahl g multipliziert das Eingangssignal s1 mit dem Eingangsrauschen r1. Dabei ist g f u¨ r Verst¨arker gr¨osser als 1 und f u¨ r passive Komponenten kleiner als 1.

Abb. A.1 Gewinnzahl g mit Einganzgssignal s1 , Eingangsrauschen r1 und Ausgangssignal s2 bzw. Ausgangsrauschen r2

Man erh¨alt also

' ' s1 s1 r2 r1 r n · f = s ' = g · s '1 = 2 1 r2 r2 g · r1

(A.2)

wobei das Ausgangsrauschen r2 die Summe von um g verst¨arktem Eingangsrauschen und dem Eigenrauschen re der Komponente ist: r2 = g (r1re ) t2 = g (t1 te )

(A.2a) (A.2b)

A.3 Die Allgemeine Rauschzahl

419

Das komplette Bild der Komponente einschliesslich ihres Eigenrauschens re ist also:

Abb. A.2 Komponente einschliesslich ihres Eigenrauschens re

Mit Gl.(A.2) und dem Rauschen r als k t b geschrieben (k die Boltzmann-Konstante, t die Rauschtemperatur und b die Bandbreite der Komponente), ergibt sich: n·f =

r2 g · k · t1 · bg · k · te · b t1 te = = g · r1 g · k · t1 · b t1

(A.3a)

Das Wesentliche an Gl. (A.2) und dem nachfolgenden Bild ist, dass das Eigenrauschen re der Komponente auf ihren Eingang bezogen ist, re also wie r1 mit der Gewinnzahl g multipliziert wird. Nat¨urlich passiert ein Teil des Rauschens in einem Verst¨arker nach der Verst¨arkung g. Dies ist aber zum einen der kleinere Teil und ausserdem f¨allt er gegen¨uber dem mit g multiplizierten Teil nicht ins Gewicht. Es ist sinnvoll, bei aktiven Komponenten (g > 1) das gesamte Eigenrauschen der Komponente auf ihren Eingang zu beziehen. Die Rauschzahl nf in Gl. (A.3a) ist ein G¨utemass f u¨ r eine elektronische Komponente. Sie sagt aus, wie viel Eigenrauschen te die Komponente dem Eingangsrauschen t1 hinzuf u¨ gt. Es ist zu bemerken, dass die Rauschzahl nf nicht von der Impedanz der nachfolgenden Komponente abh¨angt, also Allgemeing¨ultigkeit hat. Trotzdem ist diese Information nur aussagekr¨aftig, wenn man den Wert des verwendeten Eingangsrauschen t1 hinzuf u¨ gt. Eine Rauschtemperatur te = 290 K f u¨ hrt beispielsweise f u¨ r t1 = 145 K zu nf = 3 (NF = 5 dB), w¨ahrend dasselbe te = 290 K f u¨ r den Wert t1 = 290 K ein nf = 2 (NF = 3 dB) ergibt. Um die Rauschzahl nf ohne Hinzuf u¨ gung weiterer Datenwerte in sich aussagekr¨aftig zu machen, wird die Eingangsrauschtemperatur t1 standardisiert, und zwar auf t1 = te = 290 K. Damit wird Gl. (A.3a) zu te t0 te =1 t0 t0

(A.3b)

  te = t0 n · f − 1

(A.3c)

n·f = Umgekehrt gilt

A.3 Die Allgemeine Rauschzahl Wenn es sich aus messtechnischen Gr¨unden als sinnvoll oder notwenig erweist, f u¨ r die Rauschquellentemperatur t1 einen von 290 K verschiedenen Wert zu verwenden, so bestimmt man die Allgemeine Rauschzahl n · fa auf der Basis dieser allgemeinen Rauschquellentemperatur ta und berechnet dann

420

A Die Rauschzahl eines Verst¨arkers mit Bandpassverhalten

n·t =

n · fa − 1 ta 1 t0

(A.4)

So l¨asst sich jede bei beliebiger Rauschtemperatur durchgef u¨ hrte Messung zur Bestimmung der Rauschzahl nf verwerten.

A.4 Die Zusatzliche Rauschzahl Die Zus¨atzliche Rauschzahl n · fz dr¨uckt nur das von der Komponente erzeugte Rauschen re relativ zum Eingangsrauschen r1 aus (anstatt die Summe von Eingangsrauschen plus von der Komponente erzeugtem Rauschen relativ zum Eingangsrau¨ schen). Man findet in der Literatur auch den Begriff Uberschussrauschverh¨ altnis (,exess noise ratio‘). F¨ur r1 = ra gilt n · fz =

re te = =n·f −1 ra t0

(A.5)

Es ist leicht ersichtlich, dass die Definition der Zus¨atzlichen Rauschzahl n · fz aus dem messtechnischen Gebrauch stammt.

A.5 Die Rauschzahl paralleler Verstarker In manchen Anwendungen schaltet man Verst¨arker parallel. Was ist die Gesamtrauschzahl zweier Verst¨arker in diesem Verbund?

Abb. A.3 Parallelgeschaltete Verst¨arker

' '  '   '   s1 r1 s1 r1 r1 2re1 g1 r1 2re2 g2 ' ' n · f2 = ' = s2 r2 s1 · g1 2s1g2 2  r1   r1  re1 g1 re2 g2 n · f2 = 2 r 1  2  2 g1 g2 F¨ur g1 = g2 = g, n · f2 =

r1re1 re2 re1 re2 te1 te2 =1 =1 r1 r1 t0

A.6 Die Rauschzahl serieller Verst¨arker

421

F¨ur te1 + te2 = te n · f2 = 1 + 2 ·

te t0

te t0 − 1 n · fs = 2 · n · f1 − 1

n · f2 = 2 + 2 ·

(A.6)

Die Rauschzahl von zwei parallelen Verst¨arkern, die je die Rauschzahl nf1 haben, ist n · f2 = 2 · n · f1 − 1. F¨ur Rauschzahlen nf2 gilt n¨aherungsweise n · fs = 2 · n · f1. Die Rauschzahl von zwei parallel geschalteten Verst¨arkern gleicher Rauschzahl ist also doppelt so gross, wie die eines einzelnen Verst¨arkers. Anwendungsbeispiel Eine Anwendung von parallelen Verst¨arkern ist in Satellitennutzlasten gegeben. Dort werden oft zus¨atzliche Verst¨arker vorgehalten, die einem Transponder zur Erh¨ohung dessen Sendeleistung parallel geschaltet werden k¨onnen (siehe Abb.A.4).

Abb. A.4 Anwendung von parallelen Verst¨arkern mit vorgeschaltetemVerst¨arker

Bei Intelsat-II wurden 1965 vier 6 W-Verst¨arker parallel geschaltet, um die gew¨unschte Sendeleistung zu erreichen,in einer Zeit,als noch keine 24-WVerst¨arker verf u¨ gbar waren.

A.6 Die Rauschzahl serieller Verstarker In vielen Anwendungen schaltet man zur Erreichung der gew¨unschten Gewinnzahl zwei oder mehrere Verst¨arker in Serie. Was ist die Gesamt-Rauschzahl zweier Verst¨arker in diesem Verbund?

422

A Die Rauschzahl eines Verst¨arkers mit Bandpassverhalten

Abb. A.5 Serienschaltung von Verst¨arkern

s 2 = g1 · s 1

r2 = g1 (r1re1 )   s3 = g2 · g1 · s1 r3 = g2 (r2re2 ) = g2 g1 (r1re1 ) re2     s4 = g3 · g2 · g1 · s1 r4 = g3 (r3re3 ) = g3 g2 g1 (r1 re1 ) re2 re3 nf =

s1/r1 s1 g3(g2 g1(r1 + re1) + g2 re2 + re3) = s4/r4 r1 g3 g2 g1 s1 g3 g2 g1(r1 + re1) + g3 g2 re2 + g3 re3 = r1 g3 g2 g1 r1 + re1 re2 re3 = + + r1 r1 g1 r1 g1 g2 re1 re2 re3 = 1+ + + r1 r1 g1 r1 g1 g2 te1 te2 te3 = 1+ + + t1 t1 g1 t1 g1 g2

(A.7a)

F¨ur t1 = to: te2 te3 te1 + + to to g1 to g1 g2 nf 2 − 1 nf 3 − 1 nf = nf 1 + + g1 g1 g2

nf = 1 +

Generell, nf = nf 1 +

nfz3 nfz2 + g1 g1 g2

(A.7b) (A.7c)

(A.8)

Die Gesamt-Rauschzahl nf mehrer Verst¨arker in Serie ist nf 1 plus die Summe der ,Zus¨atzlichen Rauschzahlen‘ dividiert durch das Produkt aller Gewinnzahlen g der vorangegangenen Verst¨arker. Da die Verst¨arkergewinnzahlen g > 1 bzw. sogar g  1 sind, wird die GesamtRauschzahl nf massgeblich von der Rauschzahl nf 1 der ersten Verst¨arkerstufe und allenfalls zum kleineren Teil von der zweiten Stufe bestimmt. Die nachfolgenden Verst¨arker tragen selbst bei hoher Rauschzahl unwesentlich zur Gesamt-Rauschzahl nf bei. Aus Gl. (A.7b) kann man auch ableiten te te1 te2 te3 =1+ + + + ... to to to g1 to g1 g2 te2 te3 te4 te = te1 + + + + ... . g1 g1 g2 g1 g2 g3

nf = 1 +

(A.9)

A.8 Die Rauschzahl passiver Komponenten

423

Die Form in Gl. (A.9) veranschaulicht noch deutlicher die Wichtigkeit der ersten Verst¨arkerstufe te1 f u¨ r die Gesamt-Rauschtemperatur te .Alle folgenden Rauschtemperaturen verlieren durch die Division mit den Gewinnzahlen der jeweils vorangegangenen Verst¨arkerstufen an Relevanz, vorausgesetzt, dass die erste(n) Verst¨arkerstufe(n) entsprechende Gewinnzahlen aufweisen. Anwendungsbeispiel Eine Anwendung von seriellen Verst¨arkern ist in Satellitennutzlasten gegeben. Dort werden zur Erzielung einer Gesamtverst¨arkung von bis zu 140 dB notwendigerweise immer mehrere Verst¨arkerstufen in Serie geschaltet, da es keine Verst¨arker gibt, die diese Verst¨arkung in einer Stufe erreichen w¨urden.

A.7 Das Rauschmass Die Anforderungen an die erste(n) Verst¨arkerstufe(n) sind also zweifach: Es werden gleichzeitig kleine Rauschzahlen und grosse Gewinnzahlen gefordert. In den meisten Technologien sind dies widerspr¨uchliche Systemgr¨ossen. Als ein Werkzeug zur L¨osung dieses Systemproblems definiert man das Rauschmass M: te/to nfz M= = (A.10) 1 − 1/g 1 − 1/g Je kleiner das Rauschmass einer Komponente ist, desto besser. Da man in der Praxis die minimale Gesamt-Rauschtemperatur anstrebt, ordnet man die Verst¨arkerstufen in aufsteigender Reihenfolge ihrer Rauschmasse Man. Damit ist die GesamtRauschtemperatur te minimiert.

A.8 Die Rauschzahl passiver Komponenten Obwohl passive Komponenten (wie z.B. Widerst¨ande) im Allgemeinen keine Verst¨arker sind, soll hier der Vollst¨andigkeit halber auch ihre Rauschzahl bestimmt werden: Eine passive Komponente wird mit einem Signal s1 und einem Rauschanteil r1 beaufschlagt. Die ,Gewinnzahl‘ der Komponente ist g < 1 und ihr Eigenrauschen re = k te b:

Wenn die Gewinnzahl g = 1 w¨are (keine Verluste, kein Hinzuf u¨ gen von Eigenrauschen), dann w¨are das Ausgangsrauschen r2 = r1 und damit auch t2 = t1 . Das Eingangsrauschen dringt (,schaut‘) unbehindert durch die Komponente hindurch. Wenn die Gewinnzahl g = 0 w¨are (unendliche Verluste, h¨ochstes Eigenrauschen), dann w¨are das Ausgangsrauschen r2 = re und damit auch t2 = te . Es k¨ame

424

A Die Rauschzahl eines Verst¨arkers mit Bandpassverhalten

auf Grund des unendlichen Widerstandes der Komponente nichts mehr von dem Eingangsrauschen r1 am Ausgang an. Folglich muss das allgemeine Ausgangsrauschen von der Form sein t2 = gt1 + (1 − g)te

(A.11)

Diese Form l¨asst sich durch Einsetzen der beiden Grenzbedingungen g = 1 und g = 0 best¨atigen: F¨ur g = 1 ergibt sich t2 = t1 , und f u¨ r g = 0 erhalten wir t2 = te (wie oben gefordert). F¨ur den Zwischenwert g = 0,5 erh¨alt man t2 = 0,5t1 + 0,5te d.h., das Eingangsrauschen dringt (,schaut‘) zur H¨alfte durch die Komponente hindurch, die andere H¨alfte des Ausgangsrauschen wird vom Eigenrauschen der Komponente bestimmt. Mit der Beziehung (A.11) berechnen wir nun die Rauschzahl nach Gl. (A.3a) zu: nf =

r2 t2 g t1 + (1 − g)te 1 − g te = = =1+ g r1 g t1 g t1 g t1

(A.12)

Um die Rauschzahl allgemeing¨ultig zu machen wird die Eingangsrauschtemperatur wieder mit 290 K angesetzt, und man erh¨alt nf = 1 +

1 − g te g to

(A.13a)

Wenn die Komponente in Zimmertemperatur te = to betrieben wird, vereinfacht sich dieser Ausdruck zu 1−g 1 nf = 1 + = (A.13b) g g Die Rauschzahl einer passiven Komponente ist der Kehrwert der Gewinnzahl; in dB gilt NF = −G(13c) (A.13c) Beziehung zwischen Gewinnzahl und Rauschtemperatur Ein anderer Weg der Herleitung der Gl. (A.13b) ist: Die Ausgangsrauschtemperatur t2 einer passiven Komponente ist die mit der Gewinnzahl g multiplizierte Summe aus Eingangsrauschtemperatur t1 und Eigenrauschtemperatur te der Komponente (Gl. A.2b): t2 = g(t1 + te) te = t2/g − t1

oder

Mit Gl. (A.11) ist te = g t1/g + (1 − g)t/g − t1 = t(1 − g)/g

A.8 Die Rauschzahl passiver Komponenten

425

Bei Zimmertemperatur to erh¨alt man te = to(1/g − 1)

(A.14)

Der Vergleich von Gl. (A.14) mit Gl. (A.3c), te = to(nf − 1) ergibt nf = 1/g wie bereits in Gl. (A.13b) gezeigt: Die Rauschzahl einer passiven Komponente ist der Kehrwert ihrer Gewinnzahl. Anwendungsbeispiel Was ist die Rauschzahl und die Rauschtemperatur einer in Zimmertemperatur betriebenen, kurzen Hohlleiterstrecke, deren Verlust 0,1 dB betr¨agt? Die Gewinnzahl G = −0,1 dB oder g = 0,977 = 1/nf (siehe Gl. (A.13b)). Mit Gl. (A.3c) ist te = to(nf − 1) = to(1/g − 1) = 290 K(1,023 − 1) = 0,023 ∗ 290 K = 6,8 K Dieser Wert von 6,8 K ist beispielhaft f u¨ r die Hohlleiterstrecke zwischen einer grossen Satelliten-Erdfunkstellenantenne und dem rauscharmen Vorverst¨arker – genauer: Zwischen dem Flansch, der Schnittstelle zwischen Antenne und Empfangssystem und dem Eingang des rauscharmen Vorverst¨arkers. Die Rauschtemperatur von z.B. MASER-Verst¨arkern im 4 GHz-Bereich liegt zwischen 1 K und 4 K. Der kurze Hohlleiter vor dem Verst¨arker tr¨agt also 7,0 bis 1,5 mal so viel zum Rauschen bei wie der teure MASER-Verst¨arker. Deshalb bringt man rauscharme Vorverst¨arker so nahe wie m¨oglich an den Flansch der Antenne. Man montiert Leitungsvorverst¨arker an der Fernsehantenne, nicht in der Wohnung hinter dem Fernseher. Man verwendet Antennen mit hyperbolischem Subreflektor (so genannte Cassegrain-Antennen) oder Gregory- und Dragone-Antennen (mit elliptischem Subreflektor), anstatt Hohlleiter von hinter der Antenne bis zum Fokus der Antenne zu verlegen. Bei Off-Set-gespeisten Antennen (der Erreger ist ausserhalb der Antennenapertur) kann der rauscharme Vorverst¨arker direkt im Fokus angebracht werden. Anwendungsbeispiel Die Rauschzahl serieller Verst¨arker am Beispiel des Empfangsteils der SatellitenErdfunkstelle in Goldstone, California:

426

A Die Rauschzahl eines Verst¨arkers mit Bandpassverhalten

Die Antenne empf¨angt atmosph¨arisches Rauschen (Sky Noise) mit tsn = 10 K. Die Hohleiterstrecke zwischen Antennenflansch und rauscharmem Vorverst¨arker rauscht mit te1 = 6,8 K. Der rauscharme MASER-Vorverst¨arker rauscht mit te2 = 4 K, der nachfolgende mit 80 K und der dritte Verst¨arker mit 290 K. Damit ergibt sich das Gesamtsystemrauschen t = tsn + te1 + te2/g1 + te3/(g1 g2) + te4/(g1 g2 g3) t = 10 K + 6,8K + 4/0,977 K + 80/(0,977 ∗ 398) + 290/(0,977 ∗ 398 ∗ 1585) t = 10 K + 6,8 K + 4,1 K + 0,2K + 0,0 K =21,1 K . Dieses Beispiel zeigt zwei wesentliche Dinge: Bereits der unmittelbar dem rauscharmen Vorverst¨arker nachgeschaltete Verst¨arker tr¨agt kaum mehr zur Gesamtsystemrauschtemperatur bei. 61% des Systemrauschens (ohne das atmosph¨arische Rauschen tsn = 10 K) entsteht in der kurzen Hohlleiterstrecke zwischen Antennenflansch und dem MASER-Vorverst¨arker.

A.9 Die Messung der Rauschzahl im Niederfrequenzbereich Die 3 dB-Methode Da die Rauschzahl nf ein G¨utemass und keine physikalische Gr¨osse ist, muss sie indirekt bestimmt werden. Ein kontinuierlich einstellbarer Rauschgenerator treibt leistungsangepasst (oder u¨ ber ein Impedanzanpassungsnetzwerk) die zu vermessende Komponente. Am Ausgang der Komponente liegt ein auf |A| 2 = 1 oder 0 dB oder auf |A| 2 = 1/2 oder − 3 dB ¨ umschaltbares D¨ampfungsglied (A ist der komplexe Ubertragungsfaktor des D¨ampfungsgliedes).

A.10 Die Messung der Rauschzahl im Hochfrequenzbereich

427

Nach dem unter ,Rauschzahl serieller Verst¨arker‘ gesagten, muss die Gewinnzahl der zu vermessenden Komponente sehr viel gr¨osser als 1 sein, so dass der Rauschanteil des D¨ampfungsgliedes vernachl¨assigt werden kann. Die Messung erfolgt in zwei Stufen. Zuerst wird das D¨ampfungsglied auf den Wert 0 dB geschaltet, der Rauschgenerator auf r = k to b eingestellt und der Ausschlag des Messinstrumentes notiert. In der zweiten Stufe wird das D¨ampfungsglied auf −3 dB geschaltet, die Rauschgeneratorleistung so erh¨oht, dass sich derselbe Ausschlag am Messinstrument einstellt, und die Einstellung m des Rauschgenerators notiert. Dieser Ausschlag am Messinstrument entspricht der Rauschleistung t2,1 = (to + te)g . In der zweiten Stufe entspricht der gleiche Ausschlag t2,2 = (m to + te)g/2 . Da t2,1 = t2,2 gilt (to + te)g = (m to + te)g/2 bzw. to + te = m to/2 + te/2 oder

to + te/2 = m to/2 .

Damit ergibt sich te = to(m − 2) und nf = 1 + te/to = m − 1.

A.10 Die Messung der Rauschzahl im Hochfrequenzbereich Die Y-Faktor-Methode Die Rauschleistung des Ausgangs der zu vermessenden Komponente wird bei bekanntem, ,kaltem‘ Rauschen t1 am Eingang, gemessen. Dann wird die Rauschtemperatur von t1 auf einen bekannten Wert t2 gebracht und die Ausgangsleistung u¨ ber ein verstellbares D¨ampfungsglied Y so ged¨ampft, dass sich der urspr¨ungliche Wert einstellt. Damit l¨asst sich die Eigenrauschtemperatur berechnen aus te + t2 = Y (te + t1) te(Y − 1) = t2 − t1 te = (t2 − t1)/(Y − 1) nf = 1 + te/t1 . Anwendungsbeispiel

te + t2 = Y (te + t1) z.B. Y = 1,5; te + 580 K = 1,5(te + 290 K) = 1,5te + 435; te = 290 K. nf = 1 + te /to = 1 + 290/290 = 2; nf = 3 dB.

428

A Die Rauschzahl eines Verst¨arkers mit Bandpassverhalten

A.11 Zusammenfassung Das Rauschen ist der begrenzende Faktor in elektronischen Systemen. Deshalb ist neben (und in vielen praktischen F¨allen noch vor) der Gewinnzahl einer Komponente ihre Rauschzahl nf f u¨ r die Beurteilung ihrer Einsatzeignung bedeutend. Die Rauschzahl nf sagt aus, wieviel Eigenrauschen die Komponente dem Eingangsrauschen hinzuf u¨ gt. Der ideale Verst¨arker ist rauschfrei, f u¨ gt dem Eingangssignal also kein Rauschen hinzu. Seine Rauschzahl ist 1 oder 0 dB. Die Rauschzahl 2 (oder 3 dB) zeigt an, dass der Verst¨arker dem Signal eine Rauschtemperatur von 290 K hinzuf u¨ gt, das Signal/Rausch-Verh¨altnis s/r also um den Faktor 2 (oder S-R um 3 dB) verschlechtert. In dB geschrieben gilt (S2 − R2)Ausgang = (S1 − R1)Eingang − NF . Bei passiven Komponenten, die in Zimmertemperatur betrieben werden, ist die Rauschzahl NF der Kehrwert der Gewinnzahl G. In dB gilt NF = −G . Bei parallel geschalteten Verst¨arkern gleicher G¨ute verdoppelt sich die Rauschzahl. Bei seriell geschalteten Verst¨arkern dominiert die Rauschtemperatur der ersten Verst¨arkerstufe die Gesamt-Rauschtemperatur; jede weitere Stufe tr¨agt fortschreitend unwesentlicher zur Gesamt-Rauschtemperatur bei. Das Rauschmass M dient als Mass gleichzeitig f u¨ r die Rauschzahl und die Gewinnzahl. Die niedrigstm¨ogliche Gesamt-Rauschzahl wird dann erreicht, wenn serielle Einzelverst¨arker in aufsteigender Reihenfolge ihrer Rauschmasse angeordnet sind; damit ist die Gesamt-Rauschtemperatur minimiert.

Anhang B Die Gewinnzahl einer Antenne mit Parabolspiegel

Die Gewinnzahl einer Parabolantenne kann in einer geeigneten Antennenmessanlage bei der Betriebsfrequenz gemessen werden. Da die Messung im so genannten Fernfeld erfolgen muss, also in einigen hundert Meter Entfernung, ist man auf Freilandanlagen angewiesen und damit wetterabh¨angig. Eine theoretische Berechung der Gewinnzahl, gefusst auf im Einzelnen real gemessenen Werten, kann wie folgt aussehen: Die Abschattung des Hauptreflektors durch den Subreflektor kann durchVersatz des Subreflektors (offset-fed) ausserhalb der Apertur des Hauptreflektors vermieden werden; damit betr¨agt der Gesamtverlust 1,62 dB und der Wirkungsgrad 68 %. Des Weiteren k¨onnte der Ausrichtfehler auf 0,1 dB bzw. 97,7 % reduziert werden, so dass der Gesamtwirkungsgrad 71 % werden w¨urde.

Tabelle B.1 Die Verlustkomponenten einer Parabolantenne mit 5 m Durchmesser bei 5 GHz System 1 1.1 1.2 1.3 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 3 3.1 3.2

Erreger Erregerwirkungsgrad Verluste des Erregerhorns Kreuzpolarisation Reflektor Oberfl¨achentoleranz Beugungsverluste Ausleuchtwirkungsgrad Abschattung durch Subreflektor Phasenfehler Antenne Ausrichtfehler Gesamtverlust

Verlust [dB]

Wirkungsgrad [%]

0,,09 0,13 0,04

0,98 0,97 0,99

0,18 0,56 0,13 0,32 0,22

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

0,27 1,94

0,94 0,64

Liste der verwendeten Abkurzungen 

ABM ACCIS ACS ACSSB ACTS

Apogee Boost Motor (Apog¨aumstriebwerk bei Satelliten) Allied Command and Control Information System Attitude Control System Amplitude Companded Single Side Band modulation Advanced Communications Technology Satellite (der NASA, USA) A/D Analog/Digital-Wandlung ADM Adaptive Delta Modulation ADPCM Adaptive Differential Pulse Code Modulation AFC Automatic Frequency Control (automatische Frequenznachregelung) AFDIRS Autonomous Failure Detection, Isolation and Recovery System AFDNBw Automatisiertes Fernschreib- und Datennetz der BW AFSATCOM Air Force Satellite Communications System (US AF) AGC Automatic Gain Control (automatische Verst¨arkungsregelung) AKM Apogee Kick Motor (Triebwerk f u¨ r Apog¨aumsschuss; im Satelliten montiert) ALI Autofahrer-Leit- und Informationssystem AM Amplituden Modulation AMPS Advanced Mobile Phone Service (analoger Mobilfunk der USA der 90er Jahre) AMSS Aeronautical Mobile Satellite Service AOCS Attitude and Orbit Control Subsystem AOR Atlantic Ocean Region (Sprachgebrauch der INTELSAT) APC Adaptive Predictive Coder; auch: APC = Adaptive Power Control APM Antenna Pointing Mechanism (Antennennachfu¨ hrung) ARCHIMEDES Advanced ResearCH In communications using highly inclined orbits for Mobile applications and other Experiments and Demonstrations using European Satellites ARI Autofahrer-Rundfunk-Information

432

Liste der verwendeten Abk¨urzungen

ARQ ARTEMIS ARTES A-S ASCII ASIC ASK ATC ATM ATM AUTOKO AUTOFU AWACS AWGN BAPTA BBI BCH BER BFN BIGSTAF BISDN BNetzA BO BOL BOM Bps BPSK BR BSS Btx B/U C/A

Automatic Repeat Request; Fehlerkorrektur mit autom. Wiederholungsaufforderung Advanced Relay and TEchnology MIsSion Advanced Research in TElecommunications Systems (ein ESA Program) Anti Spoofing American Standard Code for Information Interchange Application Specific Integrated Circuit Amplitude Shift Keying (Amplitudensprungmodulation) Adaptive Transform Coder Asynchroneous Transfer Mode; ein ,Fast Packet Switching‘ mit 53 Bytes/Packet Air Traffic Management AUTOmatisiertes KOrpsstammnetz (Fernmeldenetz des Heeres in D) AUTOmatisiertes FUehrungsfernmeldenetz (der Luftwaffe in D) Airborne Warning and Control System Additive White Gaussian Noise (additives weisses Gaussisches Rauschen) Bearing And Power Transfer Assembly BroadBand Interactive (breitbandiger Duplexverkehr) Codierverfahren von Bose, Chaudhuri und HocquenghemCode Bit Error Rate (Bitfehlerrate) Beam Forming Network (einer Satellitenantenne) Breitbandiges Integriertes GefechtsSTAndsFernmeldenetz Broadband ISDN BundesNetzAgentur f u¨ r Elektrizit¨at, Gas, Telekommunikation, Post und Eisenbahnen Back-Off (Vorhalt des Arbeitspunktes unter der S¨attigungsleistung) Begin of Life Begin of Mission Bits per second Bi-PSK (Zweiphasensprungmodulation) Bureau de Radiocommunications (der ITU, ehem. CCIR plus IFRB) Broadcast Satellite Service Bildschirmtext Back Up (Sicherung eines Systems)C3 Command, Control and Communications System Coarse Acquisition (erste Grobakquirierung eines Hochfrequenztr¨agersignals)

Liste der verwendeten Abk¨urzungen

CAI CALS

CAMEL CARIN CATV C-Band CCD CCSDS CD-ROM CDMA CEP CEPT

CES CFSK CG C-I C3I CJTF CMOS C-N CNS/ATM COFDM COMSAT CONUS CPM CPFSK CPODA CPSK CRC CSC

433

Common Air Interface Computer aided Acquisition and Logistics Support, protocol f u¨ r communications between the DoD (USA) and contractors; becoming an international Standard Customized Application for Mobile Network Logic CAR INformation System (Koppelnavigationssystem mit digitaler Karte) Community Antenna, Tele-Vision (Kabelkopfstation) 4/6 GHz Band Charge Coupled Device Consultative Committee f u¨ r Space Data Systems; ein Communications Protocol f u¨ r TT&C f u¨ r ESA, NASA etc. Compact Disc Read Only Memory (nichtbeschreibbarer Datentr¨ager) Code Division Multiple Access Circular Error Probability (bei der Positionsbestimmung) Conf´erence Europ´eene des administrations des Postes et des T´el´ecommunications (die Missdeutung ,Conspiration for the Elimination of Progress in Teleocommunication‘ stammt aus den 80er Jahren und ist heute nicht mehr zutreffend) Coast Earth Station (die Gateway- bzw. K¨ustenstation im INMARSAT System) Coherent Frequency Shift Keying Companding Gain (Compandiergewinn); auch CG = Coding Gain (Codiergewinn) Carrier-to-Interference ratio Communications, Command, Control and Information Combined Joint Task Force Complementary Metal Oxide Silicon (Halbleiter) Carrier to Noise Ratio (Tr¨ager/Rauschabstand) in dB; Communication, Navigation & Surveillance / Air Traffic Management Coherent Orthogonal Frequency Division Multiplex COMmunications SATellite Corporation, Washington, seit 2000 Teil von LockheedMartinGlobalTelecommunications (LMGT) CONtinental United States (ohne Alaska, Hawaii, Puerto Rico etc.) Continuous Phase Modulation Continuous Phase Frequency Shift Keying Contention Priority Oriented Demand Assignment Coherent Phase Shift Keying (Koh¨arente Phasensprungmodulation) Cyclic Redundancy Code Common Signalling Channel

434

Liste der verwendeten Abk¨urzungen

CSMA/CD CSPDN CSSB CT CTV CUG CV CVSD DA D/A DAB-S DAB-T DAMA DARPA DATEX-P dB; dBHz; DBPSK DBS DBS-A dBW D/C DCAAS DCS1800 DDA DECT DEE DELOS DES DFSK DFVLR DigUNBw DIN DLR DoD DOP DOMSAT

Carrier Sensed Multiple Access with Collision Detection (z.B.ETHERNET) Circuit Switched Public Data Network Companded Single Side Band Modulation Cordless Telephone (Schnurlostelefon); Vermittlung (,Centre Telephonique‘) Community Television Common User Group Channel Vocoder Continuous Variable Slope Delta Modulation Demand Assignment Digital/Analog-Wandlung Digital Audio Broadcast via Satellite Digital Audio Broadcast via Terrestrial Demand Assignment Multiple Access Defense Advanced Research Projects Office; s. ARPA Deutsches Packet Switching System dBi Dezibel (deci Bell); dB bezogen auf den isotropen Strahler dBK dB bezogen auf ein Hertz; dB bezogen auf 1K Differential Binary Phase Shift Keying Direct Broadcast Satellite (Satelliten-Direktfernsehen) Direct Broadcast Service-Audio (satellitengest¨utzter H¨orrundfunk) dB bezogen auf 1W Down Converter; Abw¨artsumsetzer Dynamic Channel Activity Assignment (ein CSMA-System bei Little LEOs) Digital Cordless Standard (das terrestrische E-Netz bei 1800 MHz) Dynamic Demand Assignment Digital Enhanced Cordless Telecommunications DatenEndEinrichtung Deutscher tElefonanschLuss in OSteuropa (der Telekom D) Data Erncryption Standard (international standardisiertes Chiffrierverfahren) Differential Phase Shift Keying Deutsche Forschungs- und Versuchsanstalt f u¨ r Luft- und Raumfahrt (heute: DLR) Digitales Ubertragungs-Netz der Bundeswehr Deutsche Industrie-Norm Deutsches Zentrum f u¨ r Luft- und Raumfahrt (ehemals: DFVLR) Department of Defense Dilution of Precision DOMestic SATellite; nationales Fernmeldesatelliten-System

Liste der verwendeten Abk¨urzungen

DPCM DPSK DQPSK DRAM DRS DS DSI DSR DTE DTMF DTH DVB-C DVB-S DVB-T DVG

EBU ECC ECMA ECP ECS ECTRA ECU EDI EDIFACT EDGE EGNOS EHF EIRP ELF ELRI EMC EMI EMV EMVG ENSS

435

Delta Pulse Code Modulation Differential Phase Shift Keying Differential Quatro Phase Shift Keying Dynamic Random Access Memory Data Relay Satellite Direct Sequence modulation Digital Speech Interpolation Digitaler Satelliten-Rundfunk Data Terminal Equipment Dual Tone Multi Frequency Direct To Home (Heimempfangsanlage f u¨ r Direktfernsehen) Direct Video Broadcast via Cable and Satellite Master Antenna Distribution Direct Video Broadcast via Satellite Direct Video Broadcast via Terrestrial Drahtlostelegraphische und luftelektrische Versuchsanstalt Gr¨afelfing (heute DLR) European Broadcasting Union (Genf) European Communications Commission (europ. Regulierungsbeh¨orde f u¨ r Komm.) European Association for Standardizing Information and Communications Systems European Common Proposal (der CEPT zur WRC) Experimental Communication Satellite (Japan) European Committee for Telecommunications Regulatory Affairs (Teil von CEPT) European Counting Units (Europ¨aische Rechnungseinheiten) Electronic Data Interchange (urspr¨unglich Electronic Document Interchange) EDI For Aministration, Commerce, and Transport Enhanced Datarate GSM Evolution European Geostationary Navigation Overlay Service Extremely High Frequencies (20 - 44 GHz) Effective to Isotropic Radiated Power (¨aquivalente isotrope Strahlungsleistung) Extremely Low Frequencies Europ. Luft- & Raumfahrt-Industrie (Association of Europ. Air & Space Industries) Electro-Magnetical Compatibility Elektromagnetische Interferenz Elektro-Magnetische Vertr¨aglichkeit von elektrischen u. elektronischen Ger¨aten Elektro-Magnetische Vertr¨aglichkeit von Ger¨aten European Navigation Satellite System

436

EOC

Liste der verwendeten Abk¨urzungen

Edge of Coverage (Rand der Bedeckungszone - des Betriebsbereichs) EOL End of Life (EOM, End of Mission - Lebensende) EPC Electric Power Conditioner (Leistungsversorgung) EPIRB Emergency Position Indicating Radio Beacon (Boje) EPM Excess Protection Margin (in der Streckenbilanz) EPROM Electrically Programable Read Only Memory ERC European Radiocommunications Committee (Teil der CEPT) ERMES European Radio MEssage System ERO European Radiocommunications Office (radio consultant to the EU; Kopenhagen) E/S Earth Station ESA European Space Agency (Europ¨aische Raumfahrtbeh¨orde) ESNP European Satellite Navigation Plan ESOC European Space Operations Center (europ. Satellitenkontrollzentrum; Darmstadt) ESTEC European Space Research and Technology Center ETNO European Public Telecommunications Network Operators Accociation ETS European Telecommunications Standard ETSI European Telecommunications Standards Institute; European Telecommunications Standards Institute, Sophia Antipolis, F EUMETSAT EUropean METeorology SATellite Organization, 1986 gegr¨undet, 17 Mitglieder, Darmstadt EUTELSAT EUropean TELecommunications SATellite Organization (Paris) F/B Foreward to Backward Ratio FCC Federal Communications Commission (US-Funkverwaltungsbeh¨orde; Washington) FD Flat Display (Flacher Bildschirm) FDD Frequency Division Duplexing FDM Frequency Division Multiplex (Multiplextechnik im Frequenzbereich) FDMA Frequency Division Multiple Access (Vielfachzugriff im Frequenzbereich) FEC Forward Error Correction FET Field Effect Transistor (Feldeffekttransistor) FFSK Fast Frequency Shift Keying FFM Forschungsinstitut f u¨ r Funk und Mathematik (FGAN) FFT Fast Fourier Transform FGAN Forschungs Gesellschaft der Angewandten Naturwissenschaften FH Frequency Hopping Modulation FIFO First In First Out FLEETSATCOM FLEET SATellite COMmunications Network (US Navy) FLMPTS Future Land Mobile Personal Telecommunications System

Liste der verwendeten Abk¨urzungen

437

FPLMTS FPODA FSK FSS FTDMA

Future Public Land Mobile Telecommunications System Fixed Priority Oriented Demand Assignment Frequency Shift Keying (Frequenzsprungmodulation) Fixed Satellite Services (Ortsfeste Satelliten-Fernmeldedienste) Fixed Time Division Multiple Access 1 P File Transfer Protocol

GAAS GAP GBS

GAllium-ArSenide semiconductor (Halbleiter) Generic Access Profile (bei DECT) Global Broadcasting System (ein Informationsverteilsystem der US Streitkr¨afte) Geometric Dilution of Precision Geostationary Earth Orbit (geostation¨are Umlaufbahn) Glasfaserverst¨arkter Kunststoff Global Information Infrastructure Giga Hz (109 Hz) GLObalnayaNAvigasionnaySputnikovayaSistema (globales Nav.Sat.System, GUS) Global Maritime Distress Satellite Service Global Mobile Personal Communications by Satellite Gateway Mobile Switching Center Greenwich Mean Time Global Navigation Satellite System (eine europ¨aische „GPSInitiative“) Grade of Service Global Positioning System (ein Navigationssystem der US Streitkr¨afte) General Packet Radio System (GSM-Erweiterung f u¨ r Daten¨ubertragung) Goddard Space Flight Center Global System for Mobile communications (urspr¨unglich Groupe Speciale Mobile), europ¨aischer Mobilfunkstandard; 1999 in 120 L¨andern der Welt verbreitet; German Space Operations Center; Satellitenkontrollzentrum in Oberpfaffenhofen Gain to Noise-Temperature Ratio (Figure of Merit) in dBi/K Geostation¨arer Transfer Orbit ¨ Gateway (Uberleitfunktion zwischen zwei Netzen unterschiedlicher Geschwindig-keiten und Protokolle etc.)

GDOP GEO GFK GII GHz GLONASS GMDSS GMPCS GMSC GMT GNSS GOS GPS GPRS GSFC GSM

GSOC G−T GTO G/W HAP HDOP HDLC HDTV HEMT HEO HF

High Altitude Platform (in 20–35 km Flugh¨ohe u¨ ber der Erde) Horizontal Dilution of Precision High Level (high speed) Data Link Control protocol High Definition Tele-Vision (Hochaufl¨osendes Fernsehen) High Electron Mobility Transistor Highly elliptical Earth Orbit Hochfrequenz (engl.: Shortwave, nicht RF; radio frequency!)

438

Liste der verwendeten Abk¨urzungen

HfD HIPERLAN HLR HPA HPBW HTTP IATV IC ICAO ICO

Hauptanschluss f u¨ r Direktwahl HIgh Performance European Radio Local Area radio Nework (5.15–5.30 GHz) Home Location Register (in GSM) High Power Amplifier ¨ Half Power Beam Width (Halbwertsbreite oder Offnungswinkel einer Antenne) Hyper Text Transfer Protocol

Individual Antennna, Television Integrated Circuit International Civil Aviation Organization Intermediate altitude Circular Orbit (eine Betreibergesellschaft; London) IDR Intermediate Date Rate IEC International Electrotechnical Commission IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers i.f. IF intermediate frequency (deutsch: Zwischenfrequenz; ZF); z.B. 70 MHz, 140 MHz IFIC International Frequency Information Circular IFIPS International Federation of Information Processing Science IFL Inter-Facility Link IFRB International Frequency Registration Board der ITU IMO International Maritime Organisation (Intern. Seeschifffahrtsorganisation; UNO) IMUX Input Multiplexer IMV Impuls W¨ahl-Verfahren IN Intelligent Network INMARSAT INternational MARitime SATellite consortium (Sitz: London); s. Anhang III INRIA Franz¨osische Fernmelde Organisation INTERNET Internetting Experiment der DARPA (USA) INTELSAT INternational TELecommunications SATellite Consortium (Washington); s. A. III INTERSPUNIK Internationale Betreiber, Moskau, seit 1997 Lockheed Martin Intersputnik (LMI) IntFMSysBw Integriertes Fernmelde-System der Bundeswehr I/O Input/Output IOL Inter Orbit Link; Verbindung zwischen Satelliten in unterschiedlichen Orbits IOR Indian Ocean Region (,Indischer Ozean‘ im Sprachgebrauch der INTELSAT) IP Internet Protocoll IPR Intellectual Property Rights (Patentrecht) IPA Intermediate Power Amplifier; Zwischenverst¨arker

Liste der verwendeten Abk¨urzungen

IRD IRR IRT ISDN ISDNBw ISL ISO ISP IS95 ITU ITU-D ITU-R ITU-T IVHS IWP JAXA JPEG JTIDS k Ka -Band KOSPAS Ku -Band LAAS LAN LASER L-Band LCD LDB LEO LEOP LHCP LMSS LNA

439

Integrated Receiver & Decoder (bei TV Heimempfangsanlagen) Internal Rate of Return (Rendite) Institut f u¨ r Rundfunktechnik der o¨ ffentlich rechtlichen Funkanstalten (M¨unchen) Integrated Services Digital Network Integrated Services Digital Network der Bundeswehr Inter Satellite Link; Verbindung zwischen Satelliten in gleichen Orbits International Standard Organization Internet Service Provider (Dienstebetreiber im Internet) Nationaler Standard im terrestrischen Mobilfunk mit Spread Spectrum/CDMA (800 MHz) in den USA International Telecommunications Union (Internatinale Fernmeldeunion; Genf) Developing Countries Bureau der ITU (eine Art Entwicklungshilfe durch Beratung) Radiocommunications Bureau der ITU (ehem. CCIR) Telecommunications Standardization Sector der ITU (ehem. CCITT) Intelligent Vehicle Highway System International Working Party Japan Aerospace Exploration Agency (ehemals: NASDA) Joint Photographic Expert Group der ISO (s. MPEG) Joint Tactical Information Distribution System (USA Milit¨ar) Boltzmannkonstante, k = 1.38 ∗ 10−23 Ws/K; 10 log(k) = −228.6 dBWs/K Frequenzband von 20 bis 40 GHz (20/30 GHz-Band zivil, 22/44 GHz milit¨arisch) KOsmicheskaya Sistyema Poiska Avariynych Sudov (Seenotrufund Ortungssystem; Russland) Frequenzband von 10 bis 20 GHz Local Area Augmentation System (bei GPS) Local Area Network Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 1.5/1.6 GHz Band Liquid Crystal Display Location Data Base Low Earth Orbit (Erdnahe Umlaufbahn) Launch and Early Orbit Phase (eines Satelliten) Left Hand Circular Polarization (Linkszirkulare Polarisation; LHC = linksdrehend) Land Mobile Satellite Service Low Noise Amplifier (Rauscharmer Vorverst¨arker)

440

Liste der verwendeten Abk¨urzungen

LNB LNC LNR loga LPC LSB LSI LV MAC MAN MAP MATV MCC MDS MDTRS MEO MIC MIDS MILNET MILSAT MIPS MMIC MMSS MOU MPA MPEG MS MSB MSK MSS MTBF MTS MTSat MTTF MTTR

Low Noise Block; beinhaltet LNA und ,Down Converter‘ Low Noise Converter Low Noise Receiver (Rauscharmer Empf¨anger) Logarithmus zur Basis a; wurde von dem Mathematiker Michael Stiefel 1533 in der Lutherstadt Wittenberg definiert Linear-Pr¨adiktiv-Codierung Least Significant Bit (mindestwertiges Bit) Large Scale Integration; Hochintegration Launch Vehicle Multiplexed Analog Component video; franz. Standard f u¨ r analoges Fernsehen Metropolitan Area Network Manufacturing Automation Protocol, USA; there exists an European MAP usergroup Major Antenna, TeleVision Mission Control Center (im K/S System) Mobile Data Service Mobile Digital Trunked Radio System Medium hight Earth Orbit Microwave Integrated Circuit Multifunctional Information Distribution System (Nachfolgesystem von JTIDS) MILitary NETwork (USA) MILitary SATellite (DoD, USA) Million Instructions per Second Microwave Monolithic Integrated Circuit Maritime Mobile Satellite Services Memorandum of Understanding Multi Port Amplifier Motion Picture Expert Group; der fu¨ hrende Video Komprimierungsstandard Mobile Station Most Significant Bit (h¨ochstwertiges Bit) Minimum Shift Keying Mobile Satellite Services (Satelliten-Mobilfunk) Mean Time Between Failure (Durchschnittliche Betriebszeit zwischen Ausf¨allen) Mobile Telephone Service Multi-Functional Transport Satellit (Japan; Meteorologie und Ortung; Start 1999) Mean Time To Failure (Durchschnittliche Lebensdauer eines Bauelementes) Mean Time To Repair (Durchschnittliche Betriebszeit bis zur Reparatur)

Liste der verwendeten Abk¨urzungen

MUSE SAT

441

Multiple Sub-Nyquist Sample Encoding; japanische TV, 1125 Zeilen/60 Hz Micro Small Aperture Terminal (Kleinsterdfunkstelle)

NASA NASDA NATO NAVSTAR NBS NGS NGSO NIAG NISDN NNSS NOAA NOTAM NPR Nrf NRZ NTC NTIA NTSC

National Aeronautic and Space Administration, USA National Space Development Agency, Japan (heute: JAXA) North Atlantic Treaty Organization NAVigation System with Time and Ranging National Bureau of Standards (USA) News Gathering Service (,Reporter-R¨uckkanal zum Studio‘) Non Geo-Stationary Orbits NATO Industrial Advisory Group Narrowband ISDN Navy Navigation Satellite System (TRANSIT) National Oceanic and Atmospheric Adminstration (USA) NOTice for AirMen Noise Power Ratio; Rausch/Tr¨agerleistungsverh¨altnis Noise at radio frequency Non-Return to Zero (Baseband-Coding) National Telecommunication Conference National Telecommunication & Information Agency (USA) National Television Standard Committee (TV-Standard in USA)

OCFDM OCS OBP ODR OEBL OEM

Orthogonal Coherent Frequency Division Multiplex Orbit Control System On Board Processor (bordseitiger Signalverarbeiter) Optical Data Relay ¨ Offentlicher Beweglicher Landfunk (D) Original Equipment Manufacturer (,weisser‘ Ger¨ate, die andere Produkte integriert) Orthogonal Frequency Division Multiplex Orthogonal Frequency Division Multiple Access Output Multiplexer Open Network Provision Out of Area (ausserhalb der NATO gelegene UN Einsatzgebiete) Offset Quadrature Phase Shift Keying Orbiting Satellite Carrying Amateur Radio; 1. Little LEO; Start 10.12.1961 Open System Interconnection Optical Surface Reflector NATO in F Over The Air Rekeying (Schl¨usselaustausch u¨ ber Funkstrecken)

OFDM OFDMA OMUX ONP OoA OQPSK OSCAR OSI OSR OTAN OTAR PA

Power Amplifier; Leistungsverst¨arker

442

Liste der verwendeten Abk¨urzungen

PA PAD PABX PAMR PAL

PAM Paramp PAY-TV PCM PCMCIA PCN PCS PDA PDM PDMA PDN PEO PL PLC PLL PLMN PLO PM PMR PN PODA POR p.p. PPM PRN PROM PSPDN PSK PSTN PTT PWM pWp0

Pre Assignment Packet Assembly/Disassembly Private Automatic Branch Exchange (automatische Nebenstellenanlage) Public AccessMobile Radio Phase Alternate Line; der deutsche analoge Fernsehstandard mit 4:3 Seitenverh¨altnis (s. SECAM); PAL PAL mit 16:9 Seitenverh¨altnis Phase Amplitude Modulation Parametric Amplifier (,Parametrischer Verst¨arker‘) Abonnentenfernsehen Pulse Code Modulation Personal Computer Memory Card International Association Personal Communications Network Personal Communications Service Personal Digital Assistant Pulse Duration Modulation Polarization Division Multiple Access Public Data Network Polar Earth Orbit Path Loss (Dispersion) Power Line Communications (Kommunikation u¨ ber Stromleitungen) Phase Locked Loop (phasenstarre Schleife) Public Land Mobile Network Phase Locked Oscillator (phasenr¨uckgekoppelter Oszillator) Phasen-Modulation Private Mobile Radio (Professional Mob. Radio); geschl. Mobilfunknutzergruppen Pseudo Noise sequence Priority Oriented Demand Assignment Pacific Ocean Region (Diensteregion ,Pazifik‘ im Sprachgebrauch der INTELSAT) Peak-to-Peak Pulse Position Modulation Pseudo Random Noise (Zufallsfolge) Programmable Read Only Memory (Programmierbarer nur Lese Speicher) Packet Switched Public Data Network Phase Shift Keying (Phasensprungmodulation) Public Switched Telephone Network, das o¨ ffentliche W¨ahlnetz (ehem.) Post, Telephone & Telegraph Administration Pulse Width Modulation Mass f u¨ r Basisbandrauschen, psophometrisch gewichtet relativ zu 0 mW Testton

Liste der verwendeten Abk¨urzungen

443

QA QAM QPSK

Quality Assurance (Qualit¨atssicherung) Quatro phase and Amplitude Modulation Quadrature Phase Shift Keying (Vier-Phasensprungmodulation)

RARC RB

Regional Administrative Radio Conference Radiocommunications Bureau der ITU (ehem. CCIR plus IFRB) Re-Broad-Cast Rescue Coordination Center Return Channel System (interaktives Satellitennetz) Radio-Daten-System Radio Determination Satellite Services Regulierungsbeh¨orde f u¨ r Telekommunikation und Post (fr¨uher BMPT/BAPT) Radio Frequency Radio Frequency Interference (Funkst¨orungen im Hochfrequenzbereich) RF Radio Frequency (Hochfrequenz, im Gegensatz zu Zwischen- oder Tonfrequenz) Rot-Gr¨un-Blau (-Bildschirm) Right Hand Circular Polarization (Rechtszirkulare Polarisation) Radio Local Area Network Radio Link Protocol rms Root Mean Square of value Receive Only; Empfangsstation ohne Sendef¨ahigkeit Rivest Shamir Adleman, eine Verschl¨usselung mit ,¨offentlichen Schl¨usseln‘ Radio Technical Committee on Aeronautical (USA) Round Trip Time Receiver

RBC RCC RCS RDS RDSS RegTP RF RFI r.f. RGB RHCP RLAN RLP RMS RO RSA RTCA RTT Rx

SA SAR SAR SAW S-Band SBF S/C SCDMA SCORE SCOUT

Wahrscheinlichkeitsmass; 1 = 68.27%, 2 = 95.45%, 3 = 99.735%, 4 = 99.994%, 5 = 99.999 95%, 6 = 99.999 999 8% Selective Availability (absichtliche Verschlechterung bei GPS) Search and Rescue Synthetic Apertur Radar Surface Acoustic Wave 2.3 GHz-Band Short Back-Fire antenna SpaceCraft (Satellit) Synchroneous Code Division Multiple Access Signal Communications Orbit Relay Experiment Tr¨agerrakete f u¨ r LEO Einsch¨usse, USA

444

Liste der verwendeten Abk¨urzungen

SCPC

SPFD SPCN SPOT SPCS SPS S-R SS SSA SSB SSBSC SSPA STS SU SV

Single Channel Per Carrier satellite access mode (Einkanalhochfrequenztr¨ager) Synchroneous Data Hierarchy protocol (auch Synchroneous Digital Hierarchy) Synchronous Data Link Control protocol Space Divison Multiple Access Sequentielle Couleur a Memoire (franz¨osischer analoger Fernsehstandard; s. PAL) Societe Europ´eenne des Satellites, 63 avenue de la Liberte, L1931 Luxembourg Sovjet Geodetic System of coordinates Super High Frequencies (Frequenzen u¨ ber 44 GHz) Shore to Ship Allert Channel Subscriber Identidity Module Satellite Interactive Terminal (Kleinsterdfunkstelle f u¨ r Duplexverkehr) Societe Internationale de Telecommunications Aeronautiques Satellite Interface Message Processor Satellite Master Antenna Tele-Vision Surface Mount Devices Short Message Service Satellite Multi-Services (integriertes Fernmeldediensteangebot der EUTEL SAT) Surface Mount Technology Satellite News Gathering (Satelliten-NGS; siehe NGS) Service Provider (Dienstebetreiber) Single channel per carrier PCM multiple Access DAMA Equipment (INTELSAT) Saturation Power Flux Density (am Satelliteneingang) Satellite Personal Communications Network Satellite Probatoire d’Observation de la Terre Satellite Personal Communications Service Standard Positioning Service Signal to Noise Ratio (Signal/Rauschabstand) in dB Satellite Switching; SpreadSpectrum Solid State Amplifier (Halbleiterverst¨arker) Single Side Band (Einseitenband Amplitudenmodulation) Single Side Band Suppressed Carrier Solid State Power Amplifier (Halbleiter Leistungsverst¨arker) Space Transportation System „Shuttle“, die US-Raumf¨ahre Signalling Unit Space Vehicle (Satellit)

TASI TAE

Time Assignment Speech Interpolation Telekommunikations-Anschalte-Einheit (die Telefonsteckdose)

SDH SDLC SDMA SECAM SES SGS SHF SHOSAC SIM SIT SITA SIMP SMATV SMD SMS SMS SMT SNG SP SPADE

Liste der verwendeten Abk¨urzungen

T&C TCP TCPIP TCXO TDD TDF TDM TDMA TDOP TDRSS TED TEFM TELECOM-I TETRA TH TOI TST TT&C TTC&M TTF TVRO TWTA Tx U/C UERE UHF UMTS UPS

445

Telemetry and Command (Fernmess- und Fernwirk-Kommandogabe) – auch TM/TC Transport Control Protocol Transmission Control Protocol Internet Protocol Temperature Controlled Crystal Oscillator Time Division Duplexing Telediffusion direct pour la France Time Division Multiplex (Multiplextechnik im Zeitbereich) Time Division Multiple Access; Vielfachzugriff im Zeitbereich Time Dilution of Precision Tracking Data Relay Satellite System (USA) Threshold Extension Demodulator; schwellwerterweiterter Demodulator Threshold Extention Frequency Modulation (schwellenerweiterte FM) Franz¨osisches nationales Fernmeldesatellitensystem Trans European Trunked RAdio (nicht¨offentlicher terrestrischer Mobilfunk in EU) Time Hopping Modulation Third Order Intercept (Mass der Intermodulation) Time-Space-Time (Signalverarbeitungs- und vermittlungssystem im Satelliten) Telemetry, Tracking and Command (Telemetrie, Nachfu¨ hrung und Kommando) Telemetry, Tracking, Command and Monitoring Technisch-Taktische Forderung Television Receive Only (Fernsehempfangsstation ohne Sendef¨ahigkeit) Travelling Wave Tube Amplifier (Wanderfeldr¨ohrenverst¨arker) Transmitter

USAT

Up Converter; Aufw¨artsumsetzer User Equivalent Range Error Ultra High Frequency Universal Mobile Telecommunications Service Uninteruptable Power Supply; unterbrechungsfreie Stromversorgung Universal Personal Telecommunications Uniform Resource Locator, Internet Hinweis mit Access Method/Host/Resource Name/Type of User, z.B. http://www.hi.org Ultra Small Aperture Terminal (Kleinsterdfunkstelle)

VAC VAFB VANs VBN

Voice Activated Coding Vandenberg Air Force Base Value Added Networks (Value Added Network Services) Vermittelndes Breitband Netz (in D)

UPT URL

446

Liste der verwendeten Abk¨urzungen

VCO VDOP VEC VGA VHF VHSIC VLF VLR VLSI VOD VO VOR VPN VS VSAT VSELP

Voltage Controlled Oscillator (spannungsgeregelter Oszillator) Vertical Dilution of Precision Voice Excited Coding Video Graphics Array Very High Frequency Very High Speed Integrated Circuit Verly Low Frequency Visitor Location Register Very Large Scale Integration Video On Demand Funk VollzugsOrdnung Funk Very high frequency based Omnidirectional Range Virtual Private Network Virtual Slot Very Small Aperture Terminal (Kleinsterdfunkstelle) Vector Sum Excited Linear Predictor

WAAS WAN WCDMA WGS WLL WTO/GATS

Wide Area Augmentation System (bei GPS) Wide Area Network Wideband Code Division Multiple Access World Geodetic System (of coordinates) Wireless Local Loop World Trade Organization / General Agreement on Tariffs and Standards World Radiocommunications Conference (ehem. WARC, World Aministrative Radio Conference (der ITU) World Wide Web

WRC WWW X-Band XTAR X.21, ZDBS ZF

7/8 GHz, f u¨ r milit¨arische Kommunikation Spanische Satellitensystem mit Mietkapazit¨at f u¨ r milit¨arische Nutzung X.25, V35 Schnittstellenspezifikationen Zentrales Deutsches Bodenstations-System der DLR, Lichtenau, Weilheim, Obb. Zwischen-Frequenz zw. Ton- und Hochfrequenz; z.B. 70, 140, 210 MHz (Inter-mediate Frequency, IF)

Erla uterung der Fachausdrucke 

Abw¨artsumsetzer Der Abw¨artsumsetzer setzt ein Empfangssignal auf die standardisierte Eingangsfrequenz des Demodulators um (Down Converter). Antennengewinn Der Betrag, um den die Abstrahlleistung einer (gerichteten) Antenne gr¨osser ist, als die eines isotropen Strahlers (Kugelstrahlers). Antennenkeule Der Teil des Antennenrichtdiagrammes, an dem der Gewinn ein relatives oder absolutes (Hauptstrahlrichtung) Maximum aufweist. ¨ Apertur die Offnung, also effektive Strahlfl¨ache (Wirkfl¨ache) einer Antenne Apog¨aum Der erdfernste Punkt einer Satellitenbahn; die Apog¨aumsh¨ohe ist die H¨ohe des Apog¨aums u¨ ber der Erdoberfl¨ache (s. Perig¨aum). Apog¨aumsmotor Die Antriebsstufe f u¨ r den Einschuss in den geostation¨aren Orbit. ¨ Aquinoktium Tagundnachtgleiche: zwei Tage im Jahr, an denen die Tageszeit und die Nachtzeit gleich lang sind. Aufw¨artsumsetzer ,Up Converter‘, analog zum Abw¨artsumsetzer) Ausleuchtzone Gebiet auf der Erde, das von der Satellitenantenne ausgeleuchtet wird, abh¨angig von ihrem Durchmesser bzw. Halbwertsbreite; die ,Fussstapfen‘ (Footprints) des Satelliten oder auch die Coverage. Azimut Kompasswinkel oder Seitenwinkel; der Winkel zwischen Norden und (im Uhrzeigersinn) der horizontalen Blickrichtung; s. auch Elevation. Back-Off Der Vorhalt (die Drosselung) eines Verst¨arkers unter der S¨attigung. Back-Up Sicherung eines Systems bahnhalten Positionshaltung eines Satelliten (unabh¨angig von der Ausrichtung) Bahnh¨ohe Die H¨ohe des Bahnpunktes u¨ ber der Erdoberfl¨ache Ballsender F¨ullsender zur Fl¨achendeckung von Satellitennetzen, die auch in H¨auserschluchten sehen (angl. Ancillary Terrestrial Components, ATC) Basisband Das Tonsignal im Telefonh¨orer, das Videosignal am Bildschirm Baud Die Einheit der Schrittgeschwindigkeit, die Zeichenrate pro Sek.; wenn z.B. in 16QAM ein Zeichen vier Bit beinhaltet, dann ist 1 Baud = 4 bit.

448

Erl¨auterung der Fachausdr¨ucke

Bearer Service Die Erzeugung, Aufrechterhaltung und Aufl¨osung von physikalischen Kan¨alen (ISO-OSI-Schichten 1, 2 und 3) Bedeckungszone s. Ausleuchtzone. Belegung ( Holding Time ) Die aktive Nutzung eines Sprechkreises.F¨ur Telefonate im internationalen Fernverkehrsbereich rechnet man mit einer mittleren Belegungsdauer (mittleren Gespr¨achsdauer) von 4.8 min pro Tag pro Teilnehmer; die mittlere Belegungsdauer eines Einzelgespr¨aches ist 3 min. Belegungsverlust Das Telefonnetz wird so dimensioniert, dass die Vermittlung eines Sprechkreises im statistischen Mittel sofort m¨oglich ist. Es kann vorkommen, dass momentan keine Netzkapazit¨at frei ist – es kommt zu keiner Belegung; dies nennt man Belegungsverlust. Wenn von 100 W¨ahlvorg¨angen z.B. zwei auf Grund mangelnder Kapazit¨at zu keiner Verbindung f u¨ hren, ist der Belegungsverlust 2% (eine typische Zahl). Betriebsmodus Erlang A Lost Calls Held: Gespr¨achsanmeldungen, die nicht sofort bedient werden k¨onnen, werden f u¨ r die Zeitdauer einer durchschnittlichen Gespr¨achsdauer gehalten; wenn sie in dieser Zeit nicht bedient werden k¨onnen, werden sie ersatzlos gel¨oscht. Betriebsmodus Erlang B Lost Calls Cleared: Gespr¨achsanmeldungen, die nicht sofort bedient werden k¨onnen, werden sofort ersatzlos gel¨oscht. Betriebsmodus Erlang C Lost Calls Delayed: Gespr¨achsanmeldungen, die nicht sofort bedient werden k¨onnen, werden in einer Warteschlange so lange gehalten, bis sie bedient werden k¨onnen. Bluetooth Kurzstreckenfunk (Reichweite < 100 m), 2.45 GHz-Band, 721 kbit/s Bodenstation Bodenstation ist die Summe der Ger¨ate, die f u¨ r den Empfang der Satellitentelemetrie, das Absetzen der Telekommandos an den Satelliten und die Bahnvermessung ben¨otigt werden. Broadcasting Einseitige Ausstrahlung eines Signales von einem Sender an eine (unbegrenzte) Zahl von Empf¨angern. Busy Hour Hauptverkehrsstunde: Die sich u¨ ber 60 min erstreckende Periode h¨ochster Verkehrsdichte eines Tages in einem Netz. Busy Hour Call (BH) Eine Gespr¨achsverbindung w¨ahrend der Hauptverkehrsstunde. b¨undeln multiplexen (zusammenf u¨ hren und gemeinsam u¨ bertragen) Byte auch Oktett: ein Block von 8 bit. Call (Gespr¨achsverbindung) Eine konkrete tempor¨are Gespr¨achsverbindung im Netz. Call Concentration DasVerh¨altnis von durchschnittlicherVerkehrsdichte w¨ahrend der Busy Hour zum Tagesmittel; ca. ein Faktor 10. Calling Rate Die Verkehrsintensit¨at einer Verbindung w¨ahrend der Busy Hour. C − N ; c/n Das Tr¨ager/Rauschleistungs-Verh¨altnis; C − N = 10 log(c/n), der Abstand zwischen dem Pegel des modulierten Tr¨agers und dem des Rauschens; Mass f u¨ r die Empfangsqualit¨at.

Erl¨auterung der Fachausdr¨ucke

449

codulieren Verbund von codieren und modulieren Cognitive Radio siehe DCAAS Combiner Der Combiner (manchmal auch Multiplexer genannt) dient zur Zusammenfassung mehrerer Ausgangssignale zu einem einzigen Signal. Concealment Ein Verfahren, bei dem erkannte, aber nicht korrigierbare Fehler z.B. durch Interpolation verschleiert werden. DCAAS Dynamic Channel Activity Assignment, CSMA-System bei Little LEO; der Satellit beobachtet, ob ein Kanal (z.B. im Band 148–149 MHz) frei ist und teilt ihn dann dem Erdterminal zu; wird auch Cognitive Radio genannt; ein Kanal ist frei, wenn die (in 3 kHz) gemessene Leistung < −158 dBW betr¨agt. Demultiplexer spaltet den aus vielen einzelnen Telefonkan¨alen zusammengesetzten Vielkanaltr¨ager in die einzelnen Telefonkan¨ale auf Derating Das Verh¨altnis zwischen den Betriebsparametern und den entsprechenden maximal zul¨assigen Werten. Diplexer Frequenzweiche, die Sende- und Empfangszweig trennt Downlink Die Strecke vom Satelliten zur Erdfunkstelle,zum Teilnehmer (Abw¨artsstrecke); oft auch Outbound oder ,Vorw¨arts‘. Duplexer Englisch f u¨ r ,Diplexer‘ einspeisen bei DBS, MSS, aber auch bei VSAT, Signale zum Satelliten senden EIRP Equivalent Isotropic Radiated Power (¨aquivalente, isotrop abgestrahlte Leistung); das Produkt aus Sendeleistung und Antennengewinn. Elevation; -swinkel H¨ohenwinkel; der Winkel zwischen der Horizontalen und der Blickrichtung; siehe auch Azimut. Erdfunkstelle Die Erdfunkstelle umfasst alle Ger¨ate, die f u¨ r Senden und Empfang von Satellitenkommunikationssignalen eingesetzt werden. Erlang Das Mass f u¨ r die Belegung eines Netzes mit Gespr¨achen; 1.0 Erlang = 60 Sekunden Belegegungsdauer pro Minute. Fairing Nutzlastraum (in der ,Pfeilspitze‘) der Tr¨agerrakete. Fernsehverteilung Verteilung von Fernsehprogrammen zum Zuschauer, entweder direkt oder u¨ ber lokale Kabelnetze. Freiraumd¨ampfung siehe Funkfelddispersion Funkfeldd¨ampfung siehe Funkfelddispersion Funkfelddispersion auch PathLoss PL: die von der Antenne abgestrahlte elektromagnetische Leistung verteilt sich auf eine Kugeloberfl¨ache (mit Radius d, der Entfernung von Sender zum Empf¨anger); PL h¨angt von d und der Wellenl¨ange  ab: PL = 20 log(4d/) = 20 log(4d ∗ f /c) = 20 log(d ∗ f ) + 92,44 dB. Funkfeldverlust siehe Funkfelddispersion ¨ GEO, Geostation¨are Bahn Umlaufbahn 35730 km u¨ ber dem Aquator; ein Satellit im GEO scheint, von der Erde aus gesehen, auf seiner Position festzustehen.

450

Erl¨auterung der Fachausdr¨ucke

Grade of Service Nichtverf u¨ gbarkeit des Netzes; Belegungsverlust – das Verh¨altnis von w¨ahrend der Busy Hour eingehenden Verbindungsanforderungen, die vom Netz nicht bedient werden k¨onnen, zu erfolgreichen Verbindungen; die Nichtverf u¨ gbarkeit 1/100 bedeutet z.B., dass nur bei jedem 100sten Anrufversuch das Netz blockiert (die Blockierungswahrscheinlichkeit P = 0,01) ist; der Belegungsverlust betr¨agt 1%. In professionellen Netzen wird dem Teilnehmer die Nichtverf u¨ gbarkeit des Netzes durch ein vom Besetztzeichen (Subscriber Busy Signal) verschiedenen Zeichen signalisiert (z.B. einem doppelt so schnellen Besetztzeichen, dem Trunk Busy Signal), so dass man weiss, dass man gar nicht bis zum Gespr¨achspartner durchgekommen ist und nicht, dass dieser belegt war. G − T G¨ute der Empfangsseite (Figure of Merit), ausgedr¨uckt in Antennengewinn und Gesamtrauschtemperatur. ¨ GTO ,Geostation¨arer Transfer Orbit‘; elliptische Zwischenbahn (Ubergangsbahn) nach Separierung von der Tr¨agerrakete; von hier aus muss der Satellit in seine endg¨ultige Umlaufbahn gehoben werden. Halbwertsbreite gibt bei einer Antenne den Gesamtwinkel an, innerhalb dessen der Antennengewinn 50% des Hauptstrahlgewinnes nicht unterschreitet ¨ (gr¨osser als −3 dB relativ zum Maximum ist – siehe Offnungswinkel). Hauptanschluss f¨ur Direktwahl Ein im Ortsnetz angeschlossener Telefonapparat ist ein Hauptanschluss f u¨ r Direktwahl (HfD), mit dem u¨ ber weltweite Verbindungen alle anderen Teilnehmer direkt angew¨ahlt werden k¨onnen HEO Highly inclined Earth Orbit; hochelliptischer Orbit Heterodyn-Empfang Setzt man das empfangene Signal zuerst in der Frequenz um, anstatt es vorher zu verst¨arken, so bezeichnet man dies als Heterodynempfang. Homodyn-Empfang Verst¨arkt man das empfangene Signal aus der Antenne bevor man es in der Frequenz zur Weiterleitung an Basisbandger¨ate umsetzt, so . . . Inbound siehe Uplink Indoor-Unit Alle Teile bei Erdfunkstellen, die in Geb¨auden untergebracht sind. ¨ Inklination Bei Bahnen der Winkel zwischen Bahnebene und Aquatorebene intermodolieren mehrere Signale in nicht ideal-linearen Systemen intermodulieren. interoperabel das Ger¨at kann in zwei Systemen arbeiten, die nicht kompatibel sind Isotroper Strahler strahlt in den gesamten Raumwinkel 4 mit der gleichen Intensit¨at elektromagnetische Wellen ab; wird als Referenz zur Bestimmung des Antennengewinns benutzt; die hypothetische Fl¨ache ist Ao = gy /4u ITU International Telecommunication Union ist als Dachorganisation f u¨ r draht¨ gebundene und drahtlose Ubertragung zust¨andig. kolozieren Satelliten auf dieselbe nominelle Orbitposoition setzen. kompandieren Signale in der Amplitude oder Frequenz komprimieren.

Erl¨auterung der Fachausdr¨ucke

451

kompatibel zwei gegebenenfalls dissimilare Systeme basieren auf denselben Prinzipien (z.B. Koordinatensystem und Zeit bei GPS/Galileo) koordinieren die Funkvertr¨aglichkeit von zwei oder mehr Systemen erarbeiten. lageregeln einen Satelliten im Orbit stabil auf das Zielgebiet ausrichten Last Mile der Telnehmeranschluss an den Verteilerkasten am der Strasse, eine Leitung mit hohem Invstitionskosten/Geb¨uhreneingangs-Verh¨altnis; wird zunehmed insbesonders bei Breitbandanschl¨ussen u¨ ber Satellit gemacht Leistungsflussdichte Elektromagnetische Leistung pro Fl¨ache in W/m2 . LEO Low Earth Orbit; erdnahe Umlaufbahn. multiplexen b¨undeln; der Multiplexer ist ein Ger¨at, das einzelne Basisbandkan¨ale zu einem Vielkanaltr¨ager b¨undelt; auch ein Ger¨at, das die Ausg¨ange verschiedener Hochfrequenzger¨ate auf einen Eingang vereint. Nachbarsatellit Satellit, der von einer benachbarten Orbitposition im gleichen Frequenzband in die gleiche oder benachbarte Bedeckungszone strahlt. Nebenkeule; Nebenzipfel Alle ausser der in Hauptstrahlrichtung gelegenen Maxima des Antennendiagramms. Nebenstellenanschluss Ein in einem Privatnetz u¨ ber eine Nebenstellenanlage (Private Automatic Branch Exchange; PABX) angeschlossenes Telefon. Jedem Telefon (von z.B.10.000) in einer Firma einen Hauptanschluss fu¨ r Direktwahl (HfD) zu geben, w¨urde sehr viele (im Beispiel 10.000) Sprechkreise erfordern. Wenn die Telefone >90% der Zeit nicht benutzt werden, b¨undelt man die Gespr¨ache mit einer PABX, so dass man mit einer kleineren Zahl von Hauptanschl¨ussen (im Beispiel 400) auskommt; diese verbindet die PABX mit der Ortsvermittlung. Netz; Telefonnetz Die Summe der Telefonkan¨ale ist das Telefonnetz. Es ist so ausgelegt, dass jeder Teilnehmer mit jedem anderen verbunden werden kann. F¨ur n Teilnehmer erfordert dies n(n − 1) m¨ogliche Verbindungen. Notifizieren ein Funksystem funkverwaltungstechnisch zulassen. ¨ Offnungswinkel Gesamtwinkel derAntennenhauptkeule,innerhalb der derAntennengewinn 50% des Hauptstrahlgewinnes nicht unterschreitet, d.h. gr¨osser als −3 dB relativ zum Maximum ist (siehe auch Halbwertsbreite). Offset Outbound siehe Downlink Outdoor-Unit Bei Erdfunkstellen die Ger¨ate, die sich im Freien befinden. Paging der ,Personenruf ‘ (ohne Sprechf¨ahigkeit). partagieren das Teilen des Frequenzbandes zwischen zwei oder mehr Nutzern. Perig¨aum Der Bahnpunkt kleinsten Abstandes zum Erdmittelpunkt (s.Apog¨aum). Phased Array eine Antenne aus einer Gruppe von Stahlelementen (Monopolen, Dipolen), die elektronisch so angesteuert wird, dass eine Stahlb¨undelung in die gew¨unschte Richtung erfolgt, die auch in der Bewegung die Zielrichtung (one mechanisch bewegliche Teile) h¨alt; dabei k¨onnen die Elemente auf nichtebenen Fl¨achen und nicht zusammenh¨angend angeordnet sein (Fragmentalfl¨achen);

452

Erl¨auterung der Fachausdr¨ucke

bei Passive Phased Arrays wird die gesamte Sendeleistung auf die Einzelstrahler verteilt; bei Active Phased Arrays erzeugt jedes Element seine Sendeleistung; die Strahlbildung wird durch die ektronische Kontrolle der Amplituden und Phasen der Elemente erzeugt oder durch einen Digital Beam Forming Processor Rake Receiver Rake-Empf¨anger arbeiten mit ,time-variant tap weights‘ in einer ,tapped delay line‘; sie sammeln die Multipath Components des Signals und summieren sie auf das Hauptsignal auf, so dass dieses durch Mehrwege nicht geschw¨acht, sondern sogar verst¨arkt wird. Rauschzahl Noise Figure; nf = (t +300 K)/300 K mit t der Systemrauschtemperatur Redundanz Ersatzger¨at, das bei Fehlern die Funktion des ausgefallenen Ger¨ates u¨ bernimmt. Man unterscheidet aktive (heisse) Redundanz (zwei oder mehr identische Ger¨ate gleichzeitig betrieben, so dass der Betrieb bei Ausfall eines Ger¨ates unterbrechungsfrei weiterl¨auft) und passive (kalte) Redundanz (das redundante Ger¨at steht ausgeschaltet parat). Roaming das ,Herumwandern‘ in verschiedenen Netzen im Mobilfunk. R¨uckw¨arts siehe Uplink Satellitenkontrollzentrum verarbeitet die Satellitentelemetrie- und Bahnvermessungssignale und sendet die notwendigen Kommandobefehle an die Satelliten; f u¨ hrt Bahnkorrekturen und Orbitman¨over durch Server ,Ministrant‘, der f u¨ r die Nutzer in einem Netzwerk (von z.B. PCs) Dateiund Druckdienste etc. beistellt Short Back-Fire-Antenne (SBF) Arraygespeiste Aperturantenne mit Planarem Reflektor. Signal-Rauschabstand S − R bzw. Signal/Rauschverh¨altnis s/r, der Abstand in dB zwischen Signalpegel S (in dBW) und Rauschpegel R (in dBW) im Basisband, bzw. Verh¨altnis zwischen Signalpegel s (in W ) und Rauschpegel r (in W ). Skyplexen raumgest¨utzte Signalverarbeitung (ohne Vermittlung). Solstitium Sonnenwende (der Tag im Jahr mit der l¨angsten Tages- o. Nachtzeit). Startmasse Masse des vollbetankten Satelliten mit Zusatzger¨aten wie Adapter usw., und eventuell notwendiger Perig¨aums- und Apog¨aumsstufen. Streckenbilanz Bilanzierung von ,Soll‘ und ,Haben‘ des Tr¨ager/Rauschverh¨altnis¨ ses einer Ubertragungsstrecke. Systemrauschtemperatur Die Systemrauschtemperatur einer Erdfunkstelle oder eines Satelliten ist eine Rechengr¨osse. Sie ist die Summe aller Rauschtemperaturen im System (Erdfunkstelle oder Satellit), die auf ihren Beitrag am Antennenausgangsflansch zur¨uckgerechnet werden. Teilnehmeranschluss Local Loop, fest zugeteilte Leitung von der Vermittlung unterster Hierarchie, der Teilnehmervermittlung (,Ortsvermittlung‘) zur Telekommunikations-Anschalte-Einheit (TAE) in der Wohnung. Telefonbelegung Wird mit einem Telefon ein Gespr¨ach gef u¨ hrt, bezeichnet man den Apparat bzw. den zu ihm f u¨ hrenden Sprechkreis als belegt. Die mittlere Belegung ist die Summe der Einzelgespr¨achszeiten im Monatsdurchschnitt,

Erl¨auterung der Fachausdr¨ucke

453

bezogen auf 43 800 min. Die Masseinheit f u¨ r die so definierte mittlere Belegung heisst Erlang. Ist die Summe der Einzelgespr¨achszeiten z.B. 1752 min, dann ist die mittlere Belegung 1752 / 43 800 Erlang (ein typischer Wert); der Telefonapparat und der zu ihm f u¨ hrende Sprechkreis war 96% der Zeit ungenutzt. Telefonkanal Eine elektrische Einweg-Verbindung zum Zweck von A nach B f u¨ r ¨ die Ubertragung von Sprache, Fax und Daten. Telefonkreis Eine Zweiweg-Verbindung (Duplex-Verbindung) zwischen A und B (bei der Fax¨ubertragung wird meist nur eine H¨alfte des Telefonkreises verwendet). Traffic Density/ Die durchschnittliche Belegungsintensit¨at einer Duplexverbindung Call Intensity pro Zeiteinheit. Tr¨ager/Rauschabstand Abstand zwischen dem Pegel des modulierten Tr¨agers und dem des Rauschens, in dB. Tr¨ager/Rauschverh¨altnis Verh¨altnis zwischen der Leistung des modulierten Tr¨agers und dem des Rauschens, meist in dB ausgedr¨uckt. Traffic Path Ein Kanal, Zeitschlitz, Frequenzband, Leitung, Vermittlungseinheit, Code etc., u¨ ber den individuelle Kommunikation stattfinden kann. Traffic Quantity Die Summe der Belegungsdauern. Traffic Rate Die Verkehrsdichte pro Duplexverbindung w¨ahrend der Busy Hour. Transponder Die Umsetzungskette im Satelliten von Empfangs- bis Sendeantenne; im Wesentlichen rauscharme Empf¨anger, Frequenzumsetzer und Hochleistungsverst¨arker. Umlaufzeit einer Bahn Die k¨urzeste Zeit, um an denselben Punkt Bahn zur¨uckzukommen. Uplink Die Strecke von der Erdfunkstelle, vom Teilnehmer, zum Satelliten (Aufw¨artsstrecke); oft auch Inbound oder ,R¨uckw¨arts‘. Valentine’s Law Die Kosten eines internationalen Projektes mit n Beteiligten steigen (durch Internationalisierung, Sprachbarrieren, multinationale Standards, √ Reise- & Transportkosten, multikulturelle Administration) um mindestens n pro Beteiligtem Vermittlung Herstellung der Verbindung von A nach B; wenn man die 2 Mrd Teilnehmer weltweit fest verbinden wollte, w¨urde man n · (n − 1) mit n = 2 109 also 4 1018 Sprechkreise ben¨otigen; ein Telefon ist im Mittel aber < 90% der Zeit nicht genutzt; deshalb vermittelt man Telefonate auf Bedarf; nur die beiden Enden des Sprechkreises von der Ortsvermittlung bis zum ortsfesten Teilnehmer (Last Mile) sind fest zugeteilt. Vorw¨arts siehe Downlink

Abku rzungen von Organisationen

AECMA AGARD

Association European Constructeurs de Materiel Aerospatial Advisory Group for Aerospace Research & Development

ANFR

Agence Nationale des Fr´equences, franz. Spektrumsmanagementagentur

ANSI ARPA ART

American National Standards Institute Advanced Research Projects Office; fr¨uher DARPA Autorit´e de R´egulation des T´el´ecommunications, franz¨osiche Regulierungsbeh¨orde Bundesnetzagentur f u¨ r Elektrizit¨at,Gas,Telekommuunikation,Post & Eisenbahnen Beh¨orden und Organisationen mit Sicherheitsaufgaben (Polizei, Feuerwehr etc.) Cape Canaveral Air Force Station (US Raumfahrtbahnhof in Florida) Carl Cranz Gesellschaft (f u¨ r technisch-wissenschaftliche Weiterbildung in Oberpfaffenhofen bei M¨unchen); Continuing Education in Science Comit´e Europ´een de Normalisation ELECtrotechnique

BNetzA BOS CCAFB CCG

CENELEC CEPT

1

Conf´erence Europ´eenne des administrations des Postes et Telecommunications, Verbund der 43 Regulierungsbeh¨orden f u¨ r Telekommunikation und Post Europas1

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, Nieder¨ lande, Norwegen, Osterreich, Polen, Portugal, Rum¨anien, Russland, San Marino, Schweiz, Schweden, Slowakei, Slowenien, Spanien, Tschechische Republik, T¨urkei, Ukraine, Ungarn, Vatikan, Zypern

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Abk¨urzungen von Organisationen

CITEL

Inter-American Telecommunications Commission COM/CITEL Executive Committee PCC I Public Telecommunications Services PCC II Broadcasting PCC III Radiocommunications JWG Joint Working Group on Legal & Administrative Matters

CNES

Centre National d’Etudes Spaciales; franz. Raumfahrtbeh¨orde mit Sitz in Toulouse Deutsches Zentrum f u¨ r Luft- und Raumfahrt e.V.

DLR EBU

ECC ESA

European Broadcasting Union; Schirmorganisation der Rundfunker und Nutzer von Satellitenkapazit¨at z.B. auf AsiaSat 2 (Asia Satellite Telecommunications); C-Band f u¨ r regul¨are und ad hoc Live Video Feeds iherer Mitglieder und anderer Kunden, von Asien, Australasia und Europa, u¨ ber ihr Eurovision Network European Communications Commission; europ¨aische Beh¨orde f u¨ r die Fernmeldepolitik und die Frequenzverwaltung European Space Agency; Europ¨aische Raumfahrt Agentur

ESOC

European Space Operation Center; europ¨aisches Raumfahrtkontrollzentrum mit Sitz in Darmstadt (D)

Eutelsat FCC

European Telecommunication Satellites; mit Sitz in Paris Federal Communications Commission; US-Beh¨orde f u¨ r die Fernmeldepolitik,die Frequenzverwaltung,die Zulassung von Fernmel¨ deanlagen und die Uberwachung ihres Betriebs

GII GIS GSOC

Global Information Infrastructure Global Information Society German Spacee Operation Center; deutsches Raumfahrt-Kontrollzentrum mit Sitz in Oberpfaffenhofen (D) International Maritime Organization

IMO INMARSAT INTELSAT IRT ITU ITU ITU-D

International Mobile Satellite Organization International Telecommunications Satellite Organization Institute f u¨ r Rundfunk-Technik, staatliche Beh¨orde f u¨ r Forschung, Standardisierung International Telecommunication Union, mit ITU Council (j¨ahrlich) und Plenipot (Plenipotentiary Conference; alle vier Jahre) ITU Development Sector, mit W/RTDC (World/Regional Telecom Development Conference) und TDAB (Telecom Development Advisory Board)

Abk¨urzungen von Organisationen

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ITU-R

ITU Radiocommunication Sector WRC (World Radiocommunications Conference, alle drei Jahre) RAG (Radiocommunication Advisory Group) RRB (Radio Regulations Board) IRG (Inter-Conference Representative Group) JRG (Joint Rapporteurs Group) 8A-9B on Wireless Access JTG 4-9-11 (Joint Technical Group) Sharing among non-GSO and GSO, FSS, BSS, space sciences and terrestrial services SC (Special Committee on regulatory/procedural matters) GTE (Group of Technical Experts) CPM (Conference Preparatory Meeting) Study Group 1 (Spectrum management) Task Group 1/5 (Unwanted emissions and out of band emissions) Study Group 3 (Radiowave propagation) Study Group 4 (Fixed-satellite service) Task Group 4/5 (Feeder links for the mobile-satellite service) Study Group 7 (Science services) Study Group 8 (Mobile, radiodeterm., amateur, related satellite services) Task Group 8/1 (International public land mobile telecommunication systems) Task Group 8/2 (Wind profiler radar) Study Group 9 (Fixed service) Study Group 10 (Broadcasting service – sound) Study Group 11 (Broadcasting service – television)

ITU-T

ITU Telecommunications Standardization Sector; TSAG (Telecom Standards Advisory Group)

JAXA

Japan Aerospace Exploration Agency; japanische Raumfahrtbeh¨orde

NASA NII OFTEL WIPO

National Aeronautics and Space Administration; amerikanische Raumfahrtbeh¨orde National Information Infrastructure Office of Telecommunications, Regulierungsbeh¨orde in UK World Intellectual Property Organization

WTO

World Trade Organization, mit CTS (Council on Trade in Services) TRIPS (Committee on Trade in Intellectual Property)

Sachverzeichnis

ABCS, 294, 296, 297, 403 Access Control, 224 ACeS, 226, 256, 313, 368 ACTEL, 312, 313 ACTS, 229, 230, 301, 302, 307, 308, 392 Adaptive Nachregelung, 150 Advanced Publication, 59, 60, 69 AGRANI, 255 ALOHA, 218, 220–223, 225, 240, 342, 350, 385 AM-Gleichung, 177 AMOS, 25, 260 AMSC, 312, 313, 319, 368 Antennengewinn, 106, 129, 151, 153, 154, 156, 158, 161, 181, 184, 228, 229, 272, 296, 333 APMT, 226, 313, 368 Apog¨aum, 26, 31, 33, 34, 252, 332, 343 ARABSAT, 7, 245, 254, 377 ARCHIMEDES, 33 ARGOS, 339–341, 344, 347, 367 ARIADNE, 348 ASTRA, 4, 50, 55, 69, 86, 180, 254, 257, 261, 303, 304, 372, 410, 411 ATM, 241, 242, 298, 309 Atmosph¨arend¨ampfung, 143 Audio-Komprimierung, 85, 87 Ausbreitung, 56, 57, 140, 147, 148, 157, 302 Availability, 147 AWGN, 110 Backoff, 164, 176, 214, 295 ¨ Bedrohungsadaptive Ubertragung, 382 Begrenzer, 79, 80, 381 Betreibergesch¨aft, 412

Betriebssicherheit, 378 Big LEO, 335, 342, 349, 350, 360–363, 367, 368, 371, 372, 414 Block-Code, 103 Blockverschachtelung, 105, 125 Bodenspur, 33 Broadcast, 9, 58, 86, 196, 220, 236, 241, 261, 290, 293, 298, 309, 362, 372, 385, 392 Broadcast Satellite Services, 57 Cassegrain, 153 CCITT, 232, 237, 294 CDM, 99, 226, 227, 230, 242 CDMA, 200, 206–210, 213–216, 227, 228, 230, 242, 336, 341, 350, 358, 360, 361 cdma, 209 CEPT, 67, 247 CERES, 260 Chiffrierung, 75, 125, 291, 380 Chiffrierverfahren, 89–91 Codes, 88, 90, 101–104, 124, 125, 200, 207, 210, 216, 227 Codevielfachzugriff, 200, 206 Codierung, 53, 75, 84, 98–100, 102–104, 106, 118, 124, 125, 149, 200, 206, 218, 227, 382, 386 Codulation, 114, 116, 118 COFDM, 97, 98, 226, 227 Compandierung, 78, 79 COMSAT, 81, 82, 245, 247, 257, 301, 302, 313, 377 CONSTELLATION, 312, 362 Countermeasures, 378 COURIER, 360

460

Sachverzeichnis

CPODA, 240 Cryptoverfahren, 89 DAMA, 202, 204, 212, 215, 216, 220, 289, 294, 297, 298, 301, 403, 413 Datennetze, 224, 344 Datenschutz, 87, 99, 229 Demand Assignment, 215, 217, 224, 239, 257 Demand Assignment Multiple Access, 202, 215, 301 DFS, 86, 256, 257, 406 Diffie-Hellman, 94, 95 Digitale Unterschrift, 90, 92, 93 Dispersion, 128, 136, 137, 140, 206 Diversity, 149 DSCS, 377, 387, 388 EAST, 256, 368 ECCO, 312, 349, 360, 362 Eigenst¨orung, 207, 208, 210 EIRP, 50, 55, 61, 129, 134, 135, 160, 174, 181, 190, 254, 260, 261, 294, 365, 366, 392, 408 ELEKON/STIR, 361, 362 Elektrosmog, 56 Elevation, 22, 143, 182–184, 307, 336, 337, 357 ELLIPSO, 362 Empf¨angerg¨ute, 151, 153 Empfangsdegradation, 160 ERO, 66 Erstzugriff, 208, 215, 227–229, 242, 257, 342, 350 Erstzugriff (CSMA), 233 ETSI, 67, 68, 356 EUMETSAT, 344, 366 EuroSkyWay, 253, 305, 309 EUTELSAT, 5, 55, 86, 131, 245, 251, 254–257, 260, 291, 326, 366, 406, 408, 409, 414 EutelTracs, 310, 312 FAISAT, 339, 342, 348 FDCDMA, 209 FDM, 79, 82, 97, 99, 178, 179, 204, 214, 226, 227, 230, 242 FDMA, 79, 82, 98, 178, 179, 182, 183, 200, 202–205, 207, 209, 212–216, 219, 226–228, 230, 242, 294, 297, 336, 353, 358, 361, 415 fdma, 5, 204, 209, 336

Fehlweisung, 158–161 Fernsehausstrahlung, 255, 410 Fernsehverteildienste, 57, 261 Fernsehverteilung, 254, 255, 303, 307, 372 Fluchtgeschwindigkeit, 19 FM-Gleichung, 178 Frachtgutverfolgung, 183, 362 Frequenzb¨undelung, 97, 226 Frequenzvielfachzugriff, 200, 202, 203, 205 Frequenzzuteilung, 341 Frequenzzuweisung, 336 FSK, 107, 110, 123, 124, 126 Funkfeldd¨ampfung, 56, 184, 332, 333 Funkst¨orungen, 67, 162, 174 GALAXY, 252, 408 GE-Americom, 6 geostation¨ar, 302, 312, 332, 368 Gesch¨aftskommunikation, 4–6, 100, 196, 204, 249, 261, 305, 332, 350, 378, 403, 411, 412, 415 ¨ Gesetzliche Uberwachung, 95, 96 GlobalStar, 2, 355 GNSS1, 15, 327, 328 GNSS2, 15, 44, 327, 372 GONETS, 312, 339, 341, 342, 346–348, 350, 351, 354 Grade of Service, 220, 231 G¨utefaktor, 151 HAP, 35, 238, 239 HEO, 10, 31, 44, 305, 332, 335, 339, 362, 372, 373 Heterodyn, 153 HISPASAT, 245, 258, 312, 397, 398 Homodyn, 153 Hub, 29, 225, 287–289, 291, 292, 295–297 Hub Station, 289–292, 294–298 Hub Stations, 309, 350 Hybride Architekturen, 295 ICO, 10, 34, 254, 312, 320, 321, 349, 361, 364, 365, 372 IGSO, 29, 44, 256, 310, 416 IMPS, 205 Inbound, 99, 225–227, 229, 230, 288, 326, 341 Inklination, 3, 4, 19, 26, 31, 34, 159, 160, 305, 327, 342, 343, 360, 362, 364, 387 INMARSAT, 7, 15, 57, 82, 99, 155, 216, 218, 220, 226, 230, 312–314, 317–321, 326,

Sachverzeichnis 327, 329, 346, 347, 357, 364, 366, 373, 377, 414 INTELSAT, 7, 58, 82, 97, 177, 182, 196, 212, 226, 238, 245–247, 249, 251, 252, 254, 256, 257, 291, 313, 347, 377, 380, 400, 404, 406, 408, 413 Interleaving, 75, 98, 106, 227 Intermodulation, 12, 84, 98, 150, 162, 165, 171, 173, 205, 209, 210, 214, 227, 228, 242 internet, 372 Interoperabilit¨at, 82, 236, 238, 378, 383, 384 Intersatelliten-Link, 190 INTERSPUTNIK, 6, 97, 196, 226, 245, 249, 250 IRIDIUM, 302, 305, 320, 350–354, 361, 363, 385, 391 ISDN, 2, 68, 204, 224, 241, 258, 301, 302 ISO, 82, 84, 232, 237, 238 ISO-Standard, 84 Italsat, 397 ITU, 47, 49, 51, 55, 57, 59–62, 64, 67, 69, 72, 73, 142, 352, 354, 356, 365, 374, 416 JAPSAT, 397–399 Katastrophenkommunikation, 5, 302, 351, 415 Kleinsterdfunkstelle, 367 Kleintr¨agerunterdr¨uckung, 162, 166, 168, 170, 173 Konstellation, 31, 44, 306, 342, 360, 361, 373 Koordinierung, 47, 59, 61 KOPERNIKUS, 86, 256, 406 LASER, 190, 390 Lastanpassung, 149 LEASAT, 392, 393 Leistungsflussdichte, 55, 56, 136, 137, 333 LEO, 10, 30, 44, 72, 183, 247, 261, 302–305, 309, 310, 312, 332, 333, 335–342, 344, 345, 347, 349, 350, 360–363, 367, 368, 371–373, 391, 402, 413, 414 LEOSAT, 339, 345 Little LEO, 183, 335, 339, 340, 342, 344, 345, 368, 371, 372, 414 LOOPUS, 307 Luftschnittstelle, 199 M-Star, 306

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MARISAT, 313, 317, 377 Mash Topologies, 292 Mega LEO, 304, 305, 336, 368, 372, 413 Mehrwege, 219 MEO, 44, 302, 332, 335 Mobilfunk, 1, 2, 4, 6, 56, 95, 100, 105, 124, 215, 217, 218, 260, 302, 312, 328, 352, 363, 368, 371, 372, 374, 402, 414, 415 Modulation, 60, 75, 79, 84, 97, 113, 118, 180, 200, 207, 208, 226, 381, 385 modulation, 82, 182 Modulationsverfahren, 50, 106, 107, 109, 110, 118, 125, 126, 180, 353, 390 Molnija, 31–34, 252, 253, 262, 399 MPEG, 83–85, 125, 149, 174, 180, 262 MTSAT, 327 Multiple Access, 200, 202, 210, 215, 217, 223, 301, 415 Multiplexing, 97, 199, 225 NAHUEL, 255, 412 NATO, 7, 58, 387, 396 Navigation, 44, 58, 229, 230, 327, 328, 346, 416 Navigation and Communications Satellite Service, 359 New Skies Inc., 249 Noise Figure, 152 notfunk, 184, 190 ODYSSEY, 361 OLYMPUS, 258, 259 OmniTracs, 310 On Board Processing, 12 OQPSK, 110 ORBCOM, 341, 343–348 ORBCOMM, 312 Orbitalabstand, 23, 50 Orbitalzuweisung, 376 Orbitzuweisungen, 50 ORION, 6, 245, 251, 252, 261 Outbound, 99, 220, 225, 226, 228–230, 288, 326, 341 PACKET RADIO Net, 236 Paketvermittlung, 214, 223, 224, 234, 235, 238, 241, 298, 305, 350, 385 PALAPA, 245, 251, 255, 408 PANAMSAT, 6, 245, 251, 252, 406, 408 Partagieren, 62, 63, 72

462

Sachverzeichnis

Raumvielfachzugriff, 200, 210, 211 Rauschtemperatur, 53, 128–131, 151–154, 156, 157, 295 Regend¨ampfung, 128, 129, 140, 142, 148, 181, 196, 305, 307, 337 Reliability, 147 Reservation, 223 Reservation Services, 293 Roaming, 319, 321, 363, 371 RSA, 90, 91, 95, 96

Seenotfunk, 184, 190, 319 Sendegewinn, 134, 135 Sendeleistung, 60, 69, 81, 114, 120, 124, 125, 128, 129, 134, 135, 149, 150, 176, 181, 182, 184, 196, 202, 207, 219, 228, 254, 260, 272, 294–296, 301, 333, 337, 341, 345, 351, 361, 373, 383, 408 Shared Hub, 292 Shared VSAT, 292 SICRAL, 312, 397, 398 Signallaufzeit, 33, 240, 287, 333, 359, 361 SkyBridge, 253, 300, 303, 305, 306, 308, 309 SKYNET, 251, 387, 393, 394 SkyPlexer, 226 Skyplexer, 12 Slotted ALOHA, 222 Small GEO, 332 SPACENET, 252 SPADE, 212, 225, 238 Sprachcodierung, 81 Sprachnetze, 293 Spread Spectrum, 89, 174, 207, 216, 225, 381, 382, 391 Spread Spectrum Carriers, 359 Spread Spectrum Spreading, 390 Spread Spectrum Systems, 126 StarFix, 310 STARSYS, 339–341, 348 Statistik, 230, 231, 242 Sternarchitektur, 287, 298 Sterntopologie, 225, 299 St¨orabstand, 51 Store-and-Forward, 238, 309, 341, 345 St¨orleistung, 50–54, 381 St¨orpegel, 51 Streckenbilanz, 157, 175, 176, 179, 196, 288 Syracuse, 396

SAFIR, 343, 344 SATCOM, 252, 377 Satellite News Gathering, 4, 5, 415 Satellitenbahnen, 17, 18, 262 Satellitennavigation, 13, 15 Satelliten¨ubertragung, 2, 9, 150, 181, 205, 380, 382, 415 Schl¨usselaustausch, 93, 94 SCPC, 84, 97, 174, 179, 202–204, 212, 214, 219, 225, 226, 228, 230, 294, 297, 298 SDMA, 200, 210, 214, 242

TCP-IP, 298 TDM, 5, 12, 82, 84, 97–99, 180, 216, 218, 225–227, 229, 230, 242, 262, 288, 291, 297, 298, 405, 413 TDMA, 79, 82, 99, 107, 182, 183, 200–202, 205, 208–210, 212–216, 218, 219, 223, 225–230, 242, 256–258, 288, 294, 297, 301, 350, 352, 353, 361, 365, 384 tdma, 12, 199, 201, 336 TELECOM, 256–258, 313, 396 TELEDESIC, 34, 300, 305, 413

PCN, 31, 261, 332, 348, 349, 351, 363, 368, 371, 372, 402 PCS, 4, 6, 15, 57, 309, 319, 321, 332, 354, 361, 372 Pegeldiagramm, 127 PenTriad, 305 PEO, 31, 34, 44, 302 Personal Communications, 320, 331, 332, 351, 367, 368, 371, 372, 374 Personal Communications Net, 371 Personal Communications Networks, 348 Personal Communications Services, 309, 372 PIMPS, 205 PODA, 239–241, 257 Polarisationsvielfachzugriff, 200, 211 Polling, 216, 218, 224, 343 Positionsbestimmung, 15, 229, 320, 326, 328, 332, 344, 346, 347, 355, 358 Protokolle, 223, 232, 236, 294, 307, 309, 377 PSK, 54, 107–109, 123–126, 212, 256 QAMSK, 114 QPSK, 79, 84, 101, 108–110, 114, 126, 180, 213, 294, 361, 412 Quellencodierung, 78, 81, 120

Sachverzeichnis

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TELESAT, 245, 256, 260 TELSTAR, 260, 261 Telstar, 155 Thin Route Traffic, 4, 6, 8, 415 Tr¨ager/Rauschleistungs, 294 Transferbahn, 25, 26 Transponder-Lease, 254 TUBSAT, 345, 346, 348 TURKSAT, 255

Vernetzung, 294, 383 Verschl¨usselung, 88, 89, 91–93, 95 Versicherung, 403 Vielfachzugriff, 97, 199, 215, 216, 223, 225, 230, 242, 301, 345, 352, 360, 361, 365, 385 VITA, 339, 341, 342, 351, 371 VSAT, 6, 176, 196, 249, 271, 287–289, 291–298, 301, 308–310, 317, 366, 412

¨ Uberlagerung, 174 ¨ Ubertragungsverfahren, 291, 377, 400 Umlaufdauer, 3, 19–21, 343 UMPTS, 6 UMTS, 4, 242, 332, 368, 415 USAT, 300, 302

WBCDMA, 209 WDMA, 202 Wirtschaftlichkeit, 8, 107, 338, 347, 349, 390, 401, 410, 413–416 WRC, 10, 49, 50, 335, 352

Verf¨ugbarkeit, 8, 10, 44, 72, 91, 96, 106, 144, 145, 147, 149, 150, 196, 215, 220, 291, 327, 332, 346, 361, 373, 384, 390, 394, 415

Zeitb¨undelung, 99, 225 Zeitvielfachzugriff, 199–201 Zufallszugriff, 220

Die Autoren

Hans Dodel arbeitete nach dem Studium der Elektrotechnik an der Technischen Hochschule Stuttgart und Assistentent¨atigkeit an der University of Kansas (USA), am NASA Forschungslabor in Lawrence an mehrdimensionalen Komprimierver¨ fahren f u¨ r die Ubertragung von Bildmaterial von interplanetaren Sonden (Mariner Program). Von 1969 bis 1977 war er bei der COMSAT (Washington) am Aufbau des INTELSAT-Systems, am Siting der Erdfunkstellen und insbesondere dem SystemDesign der INTELSAT-V-Generation t¨atig. Danach kam die Mitarbeit bei der Realisierung des MARISAT-Systems, mit dem Raumsegment, den K¨ustenstationen und den Schiffsterminals dieses ersten, globalen Satellitensystems f u¨ r den Seefunk und Seenotfunk (heute INMARSAT, London). Von 1978 bis 1984 war er Programmleiter f u¨ r Broadband Interactive Satellite Communications in der DFVLR und leitete die Abteilung Nachrichtensatellitensysteme. 1984 wurde H. Dodel Hauptabteilungsleiter f u¨ r Neue Kommunikations-Satelliten-systeme in der Raumfahrt bei MBB-ERNO in Ottobrunn. Anschliessend arbeitete er f u¨ r die DASA an dem Satellitensystem NAHUEL f u¨ r Argentinien, f u¨ r die DaimlerBenz Aerospace an der Satellitenkommunikation ROMANTIS in der GUS und an GlobalStar f u¨ r die pers¨onliche Kommunikation und schliesslich f u¨ r Dornier Satellitensysteme am europ¨aischen Programm GALILEO zur Satelliten-Ortung. Danach war er Chefingenieur bei EADS Space Services und trug zur satellitengest¨utzten Breitbandkommunikation und das Programm SatComBw-Stufe2 bei. Heute leitet Hr.Dodel seine eigene Firma f u¨ r beratende T¨atigkeiten auf dem Gebiet der Satelliten-Kommunikation und -Navigation. Er ist ausserdem Dozent der CarlCranzGesellschaft f u¨ r technisch-wissenschaftliche Weiterbildung in Oberpfaffenhofen, wo er Lehrg¨ange zur Satellitenkommunikation und zu den Regulatorien des Funkwesens durchf u¨ hrt.

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Die Autoren

Sabrina Eberle arbeitet als Diplom-Ingenieurin im deutschen Raumfahrtkontrollzentrum (German Space Operations Center – GSOC) des Deutschen Zentrums f u¨ r Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) in der Helmholtzgesellschaft (Oberpfaffenhofen, Bayern). Geboren in Alexandria, USA, studierte sie Maschinenbau und anschliessend Elektrotechnik mit Schwerpunkt Mechatronik an der Technischen Universit¨at M¨unchen mit einem Auslandssemester am University College Dublin, Irland. Sie diplomierte am Institut f u¨ r Robotik und Mechatronik des DLR zu dem Thema “Konstruktion eines medizinischen Trainingsger¨ates auf der Basis eines drehmomentgeregelten Servoantriebs“, einem aktuellen Projekt der bemannten Raumfahrt. Sabrina Eberle arbeitet seit 2004 im German Space Operations Center (GSOC) als wissenschaftliche Mitarbeiterin im Bereich Vorbereitung und Durchf u¨ hrung des Betriebs von Satellitenmissionen. Zurzeit ist sie u.a. verantwortlich f u¨ r das Bahnregelungssystem (Orbit Control System; OCS) des SAR-Lupe Satellitensystems, einem deutschen, milit¨arischen Satellitenaufkl¨arungssystem mit f u¨ nf Satelliten. Sabrina Eberle ist auch Dozentin der CarlCranzGesellschaft f u¨ r technischwissenschaftliche Weiterbildung in Oberpfaffenhofen und tr¨agt zum Lehrgang DK 2.08 zur Satellitenkommunikation bei.