Inhaltsverzeichnis:
1.1. Was ist Multimedia?
1.2. Warum breitbandige Übertragungsverfahren?
1.2.1. Der Bedarf an Bandbreite
1.2.1.1. Quality of Service - Hoher Qualitätsanspruch
des Kunden entscheidend
1.2.1.2. Größere Downloadmengen und schnellere
Übertragungen
1.2.2. Anwendungen
1.2.2.1. Teleteaching
1.2.2.2. IP-Phone
1.2.2.3. Streaming-Services
1.2.2.4. Videokonferenzen
1.3. Warum über Satellit?
1.3.1. Point-to-Multipoint - Der entscheidende Vorteil
1.3.2. Die zentrale Hubstation
1.3.3. Einmalige Backboneanbindung-Internetanbindung erforderlich
1.3.4. Flexibilität
1.3.5. Kostenersparnis durch Leitungsasymetrie
1.4. Die Rolle des Internets im Bezug auf breitbandige Multmediaapplikationen
1.4.1. Internationales Netzwerk
1.4.2. Internet als Anwendungscarrier
1.4.3. Bereitstellung von Bandbreite höchstes Ziel
1.4.4. "Killer-Application"
2. Satellitentechnik
2.1. Geschichtlicher Überblick
2.2. Heutige Nutzung von Satelliten
2.3. Hardware
2.3.1. Bodensegment
2.3.1.1. Hubstation
2.3.1.1.1. Aufbau
2.3.1.1.2. Leistungen
2.3.1.2. Remotestation
2.3.1.2.1. Aufbau
2.3.1.2.2. Leistungen
2.3.2 Raumsegment
2.3.2.1. Orbits
2.3.2.1.1. LEO
2.3.2.1.2. MEO
2.3.2.1.3. GEO
2.3.3. Satellit
2.3.3.1. Aufbau und Leistungen
2.3.3.2. Footprint
2.3.3.2.1. Empfang am Satelliten
2.3.3.2.2. Senden vom Satelliten
2.4. Freiraumübertragungsstrecke
2.4.1. Verlust
2.4.2. Frequenzbänder
2.4.2.1. L-Band
2.4.2.2. S-Band
2.4.2.3. C-Band
2.4.2.4. X-Band
2.4.2.5. Ku-Band
2.4.2.6. Ka-Band
2.4.2.7. V-Band
2.4.3. Wettereinfluß und Standortbedingungen
2.4.3.1. Wasserdampf und Eis
2.4.3.2. Regen
2.4.3.3. Geringe Elevation der Satellitenantenne
2.5. Linkbudget
3. Übertragungsarten
3.1. Allgemeine Betrachtungen für Übertragungen von digitalen
Diensten
3.1.1. Vorwärtsübertragungskanal
3.2.1. MPEG-2/DVB
3.2.1.1. Technischer Aufbau einer DVB-Übertragung
3.2.1.1.1. Qualität der Übertragung
3.2.1.1.1.1. Bitfehlerrate
3.2.1.1.1.2. Schutzcodierungen
3.2.1.1.1.2.1. Viterbi
3.2.1.1.1.2.1.1. Encoder
3.2.1.1.1.2.1.2. Decoder
3.2.1.1.1.2.2. Reed Solomon
3.2.1.1.2. Signalweg vom Encoder zum Modulator
3.2.1.1.3. Signalweg von Demodulator zu Decoder
3.2.1.2. Nutzbare Bandbreiten
3.2.1.3. Kosten
3.2.1.4 Zusammenfassung für MPEG-2/DVB
3.2.1.4.1. Nachteile
3.2.1.4.2. Vorteile
3.2.2. ATM
3.2.2.1. Was ist ATM?
3.2.2.2. Technischer Aufbau einer Übertragungsstrecke
3.2.2.2.1. Übertragungsparameter und nutzbare Bandbreiten
3.2.2.2.2. Qualität der Übertragung
3.2.2.2.2.1. Bitfehlerrate
3.2.2.2.2.2. Schutzcodierungen
3.2.2.2.2.2.1. Viterbi
3.2.2.2.2.2.2. Reed Solomon
3.2.2.3. Kosten
3.2.2.4. Zusammenfassung für ATM
3.2.2.4.1. Vorteile
3.2.2.4.2. Nachteile
3.2.3. Zusammenfassung des Vorwärtsübertragungskanals
3.3. Rückwärtsübertragungskanal
3.3.1. CDMA
3.3.1.1. Transponderauslastung
3.3.1.2. Vorteile
3.3.1.3. Nachteile
3.3.2. FDMA
3.3.2.1. Transponderauslastung
3.3.2.2. Vorteile
3.3.2.3. Nachteile
3.3.3. TDMA
3.3.3.1. Transponderauslastung
3.3.3.2. Vorteile
3.3.3.3. Nachteile
3.3.4. Zusammenfassung des Rückwärtskanals
4. Protokollarten in der Multimediaübertragung
4.1. TCP/IP
4.1.1. Nutzung
4.1.2. Funktionsweise
4.1.3. Auswirkungen durch Latenzzeiten mit implementierten RFCs jetzt
vernachlässigbar
4.2. UDP
4.2.1. Nutzung
4.2.2. Funktionsweise
4.3. Zusammenfassung
5. Zusammenfassung und Synthese
5.1. Technisch
5.1.1. Vorwärtsstrecke
5.1.2. Rückwärtsstrecke
5.2. Kaufmännisch
5.2.1. Gesamtkosten
5.2.1.1. Investitionen
5.2.1.2. Laufender Unterhalt
5.2.2. Kosten per User
5.2.3. Vergleich mit heutiger Internetnutzung
5.3. Synthese
6. Anhang
6.1. Akronyme
6.2. Quellenverzeichnis
6.3. Abbildungsverzeichnis
Professor Dr.-Ing. Horst F. Röder, Fachhochschule Darmstadt, Fachbereich Elelektrotechnik/Telekommunikation, hat als Referent meiner Diplomarbeit am 15.01.1999 diese mit der Note "SEHR GUT" bewertet.
1. Breitbandige Multimediadienste via Satellit - Was ist das ?
In der folgenden Arbeit möchte ich die heutigen technischen und kostenrelevanten Voraussetzungen zur Durchführung von breitbandigen Übertragungsdiensten via Satellit im Multimediabereich aufzeigen. Dabei werden die physikalischen und technischen Vorgaben der Weitvehrkehrs-Satellitenkommunikationsverbindung, die Übertragungsmethoden und die notwendigen Protokolle betrachtet.
Durch einige physikalische Eigenschaften, wie z.B. den zu überbrückenden Abstand in einer Satellitenverbindung und die Ausstrahlungen im GHz-Bereich, ist die Implementierung dieser Voraussetzungen nicht trivial und bedarf einer genauen Analyse. Verschiedene heute angewandte Möglichkeiten, z.B. die Art der Datenübertragung im Vorwärts- sowie im Rückkanal, sollen hierbei einen der Kernpunkte meiner Untersuchungen bilden. Zuletzt möchte ich auch einen kurzen Überblick zu den Kostenstrukturen der erwähnten unterschiedlichen Verfahren geben.
Durch die Möglichkeit im Bereich Satellitenkommunikation der Abteilung Netze, Netzbetrieb, Netzdienste, Satellitenkommunikation (NET) im Forschungszentrum Informationstechnik GmbH (GMD) in Sankt Augustin während der Erstellung dieser Diplomarbeit zu arbeiten, konnte ich die Vorgaben nicht nur im theoretischen Bereich betrachten, sondern auch zum größten Teil durch praktische Versuche selbst durchführen. Daher gehe ich auch besonders auf die praktischen Probleme der anzusprechenden Übertragungsformen im Betrieb ein.
Mein besonderer Dank gilt hierfür Herrn Dr. Siegfried Dickhoven, F&E-Infrastrukturbereichsleiter von NET, Herrn Helmut Jungblut, Leiter Satellitenkommunikation, und Herrn Serguei Raber, Systemingenieur, für die Unterstützung, die ich während der Erstellung dieser Arbeit erfahren habe. Zur praktischen Durchführung der Tests wurde Satellitenkapazität der GMD auf Eutelsat I-F5 (21,5° Ost) bzw. später Eutelsat II-F1 (36,0° Ost) genutzt, die dort für Forschungs- und Entwicklungszwecke von der KPN Telecom Netherlands angemietet wurde.
1.1. Einführung: Was ist Multimedia?
Multimedia - ein Begriff aus der frühen Informationsgesellschaft und Synonym für Computer, Internet und Anwendungen. Multimedia steht dabei eigentlich nur für die Darstellung oder Verarbeitung mehrerer Medien zur gleichen Zeit, wie z.B. Sehen und Hören. Durch den Siegeszug des Internets und damit der Möglichkeit weltweit Daten in jeglicher Form auszutauschen, konnten sich Anwendungen zur Verbreitung von multimedialen Inhalten, d.h. Filme, VideoOnDemand, Radioübertragungen, etc. , bis hin zum Endkunden etablieren.
Man kann also Fernsehen z.B. auch zu multimedialen Ausstrahlungen zählen. In der Wissenschaft sind allerdings viele verschiedene Meinungen im Bezug auf eine ewaige Multimediazuordnung von bestimmten Diensten zu finden. Die Digitalisierung des Fernsehens hat dazu schlußendlich beigetragen, da jetzt auch multimediale Zusatzinformationen wie Lesezeichen, Programminformationen und Kindersicherungen online übertragen werden können. Ein deutlicher Unterschied zwischen multimedialen Services via Internet und den Datenübertragungen im Kabel oder über Satellit kann daher bereits heute nicht mehr gemacht werden, insbesondere wenn man breitbandige Verbindungen betrachtet.
Demnach wird es zukünftig den Endkunden maßgeblich nicht mehr interessieren, ob er für den gleichen Preis mit gleicher Qualität multimediale Anwendungen über eine Breitband-Internetanbindung oder über die Methoden des digitalen Fernsehens sehen kann. Selbst eine Verbindung beider Übertragungsdienste, die sich zunächst innerhalb der heutigen Anwendungen deutlich unterscheiden, kann dabei von großem Vorteil sein. Für den weltweiten Datenaustausch (Internet, Mail, Filetransfer, etc.) kann eine solche Telekommunikationsanbindung natürlich auch problemlos genutzt werden.
Multimedia kann man daher also auch, bei entsprechender Implementierung
von schnellen breitbandigen Datenkanälen, als mögliches Integrationsmedium
zwischen der heutigen Computerinternetnutzung sowie dem TV- und Radiokonsum
sehen. Ziel einer solchen Anwendungsmethode wäre die Schaffung einer
Kombination aus TV-, Radio- und Computereinheit als zentrales Unterhaltungsgerät
im Homeconsumerbereich.
1.2. Warum breitbandige Übertragungsverfahren?
Heutige Multimediaanwendungen sind durch schmalbandige Telekommunikations-verbindungen von Endkunden zum Serviceprovider (Last Mile Connection) in der Qualität nur sehr eingeschränkt zu nutzen. Die Übertragungsrate liegt dabei heute typisch bei 64 kbps. Diese Geschwindigkeit wird maximal bei der Nutzung eines B-Kanals innerhalb eines ISDN-Anschlusses gewährt. Die Übertragung von realen Filmsequenzen oder Livebildern ist daher, im Vergleich zum Fernseher, in gleicher Qualität nicht möglich. Um überhaupt Daten mit multimedialem Inhalt zum Endkunden übertragen zu können, haben Anbieter von Browser-PlugIn-Software Komprimierungsprogramme entwickelt, die auch bei einem geringen Datendurchsatz eine ausreichende Qualität der Darstellung in Bild und Ton ermöglichen. Die Größe des Bilds beläuft sich dabei auf wenige Zentimeter Kantenlänge. Für eine Qualität, die u.U. zur Weiterverarbeitung genügt oder eine Darstellung von Videosequenzen in größeren Fenstern ermöglicht, muß die Datenübertragungsrate wesentlich erhöht und bei der Übertragung stabil auf hohem Niveau gehalten werden.
Hierfür sind breitbandige Telekommunikationsdienste notwendig. Heute werden für Endkunden bereits technische Betriebsversuche der Deutschen Telekom AG im ADSL-Verfahren (Asynchron Digital Subscriber Line) gestartet. Die Übertragungsraten in diesem Medium liegen zwischen zwei und acht Mbps im Vorwärtskanal und zwischen 9,6 und 768 kbps im Rückkanal. Diese Endkunden-ADSL-Systeme sind aber Punkt-zu-Punkt-Verbindungen und im Kostenbereich für Jedermann durch monatliche Preise oberhalb von DM 1000 derzeit normalerweise unerschwinglich. Dabei ist zusätzlich noch ein ISDN-Anschluß aus technischen Gründen Voraussetzung.
Auch E1-Interconnect-Verbindungen können für solche Breitbanddienste genutzt werden. Dabei handelt es sich aber preislich und im Investitionsaufwand um Größenordnungen, die nur von ISPs oder mittelständigen Firmen aufgebracht werden können. Um eine Möglichkeit zu erreichen, die breitbandigen Services für den Endkunden bereit zu stellen und diese im preislichen Niveau der heutigen durchschnittlichen monatlichen Aufwendungen von Internetnutzern zu halten, müssen neue Strategien und technische Innovationen miteinander verknüpft werden.
Im folgendem möchte ich daher die Nachfrage nach Breitbanddiensten
für Endkunden darlegen und die technischen Möglichkeiten aufzeigen.
Das Wachstum der Übertragungsvolumina innerhalb des weltweiten Internetverkehrs kann hier von Deutschland aus am besten am Wachstum des transatlantischen Datenverkehrs beobachtet werden. Nach den Zahlen der GMD wächst dieser Markt jährlich in etwa mit dem Faktor 2,4. Dies bedeutet z.B., daß eine vollausgelastete 100 Mbps Glasfaserleitung heute die gleiche Auslastung wie eine 240 Mbps Leitung in einem Jahr hat. Dies ist auf größere zu übertragene Dateien, multimediale Inhalte, etc. und die stark wachsenden Anzahl der Internetnutzer selbst zurückzuführen. Daher ist es zu beobachten, daß besonders im terrestrischen Bereich einige Verbindungsleitungen oder Router stark überlastet sind und die Anfrage für Kapazität aus dem angeschlossenen Netzwerk den maximalen Durchsatz auf der Leitung übersteigt.
Parallel hierzu entsteht der Eindruck beim Endkunden, daß bislang
abgerufene Daten über das Internet mit wachsender Zeit nur noch sehr
langsam, mit Störungen behaftet oder, im schlimmsten Fall, nicht mehr
abrufbar sind. Zudem möchten die Internetnutzer aber auch Qualitätssteigerungen
im Multimediabereich, wie im Bereich der Computerhardware als selbstverständlich
vorausgesetzt, erfahren. Insgesamt gesehen läßt sich dies aber
nur durch eine Steigerung der zur Verfügung stehenden nutzbaren Bandbreite
bewerkstelligen, also durch die ständige Verbesserung der Backbones
und durch die Beschleunigung der Endkundenanbindung.
Im heutigen Markt der ISPs entscheidet über Erfolg oder Mißerfolg des Unternehmens in besonders starkem Maß der Qualitätsanspruch des Kunden. Neben der 24-stündigen Verfügbarkeit des Services muß auch ein hoher Datendurchsatz gewährleistet sein, da in dem momentanen Marktsegment ISP die Endkundenanbindung zum größten Teil über zu bezahlende Telefonwähl-verbindungen im Ortstarifnetz erfolgt. Um einen besseren Internetdienst anzubieten, müssen die ISPs mehrere Strategien verfolgen, die zum Teil große Kostensteigerungen nach sich ziehen, wie z.B. die zusätzliche Anmietung von terrestrischer Konnektivität.
Das Preis/Leistungsverhältnis ist dabei auch nicht zu unterschätzen. Unterschiedliche Tarifmodelle (Verhältnis Grundgebühr gegenüber zeitlichem oder Datenmengennutzungsentgelt) bei entsprechender Durchsatzrate müssen auch berücksichtigt werden. Besonders Firmenkunden, deren Anbindung an das Internet u.U. geschäftsentscheidend ist, verlangen hier Breitbandanschlüsse und ständige Verfügbarkeit. Dabei steht die Verfügbarkeit des Services in der Firmenideologie meist über der Kostenminimierung.
Besonders wichtig ist für die ISPs besonders in der Wahl des entsprechenden Internet-Carriers für die Transatlantikkonnektivität. Selbst bei breitbandiger regionaler Anbindung eines ISP an den Carrier, mit z.B. E3 (=34 Mbps), ist zu klären, in wie weit die Verbindungen des Internet-Großhändlers zwischen Europa und Nordamerika ausgelastet oder verfügbar sind, weil heute etwa 85% des Internetverkehrs über Peeringpoints in den USA oder Kanada abläuft.
Überlastete Verbindungen können zu Datenverlusten und Unzufriedenheit der Kunden führen. So besteht die Möglichkeit bei vollkommen ausgelasteten Glasfaserverbindungen, die in den Übertragungsgeschwindigkeiten meist über 100 Mbps liegen und u.U. mehrere ISCs in Europa versorgen, daß keine Verbindungsanfragen mehr oder nur mit sehr geringem Datendurchsatz möglich sind. Für heutige und zukünftige Breitbandverbindungen ist zu beachten, daß in den Hauptverkehrsstrecken ständig genügende Konnektivität verfügbar ist, die auch den Endkunden zugänglich gemacht werden kann.
Weiterhin bedeutet die Einführung von Breitbanddiensten ebenso eine mögliche, teilweise sogar notwendige, Abkehr vom heutigen Modell des Einwählens via Telefon durch die begrenzte Durchsatzrate der Kupferdrahtanbindung. Andere Möglichkeiten für lokale ISPs sind beschränkt und nur mit Kooperationen zwischen mehreren Unternehmen machbar, z.B. durch die Anmietung von Kapazität im regionalen rückkanaltauglichen BKTV-Netz. Eine Möglichkeit von Kooperationen wird aber hier ausdrücklich nicht ausgeschlossen; sie liegt momentan aufgrund der heutigen Marktlage aber noch in der Zukunft.
Dies bedeutet, daß lokale oder regional operierende ISPs zukünftig
in der terrestrischen lokalen Lösung auch weiterhin auf ISDN-Wahlverbindungen
angewiesen sind und den richtigen Internet-Service-Carrier für die
Hauptverbindungsstrecken (hauptsächlich Transatlantik) zu finden haben.
Eine Steigerung und Verbesserung der Servicequalität muß daher
zunächst über die Wahl der geeigneten ISCs (wie die Anlieferung
der Daten durchgeführt wird, kann offen gelassen werden) erfolgen,
weiterhin aber auch über Möglichkeiten der Umgehung der Telefonwahlverbindungen.
Dies wird allerdings nur selten für kleinere ISPs im geplanten kostengünstigen
Maßstab möglich sein.
1.2.1.2. Größere Downloadmengen und schnellere Übertragungen
Im Softwarebereich gibt es seit einigen Jahren eine parallele Entwicklung zum Wachstum der immer leistungsfähiger werdenden PC-Hardware. Insgesamt läßt sich dies besonders an der Größe der Softwareprogramme, die den Endnutzern über das Internet zur Verfügung gestellt werden, zeigen. Weiterhin wird von Servern durch die Entwicklung von anspruchsvolleren Softwareapplikationen die Größe von Homepages in der Datenmenge gesteigert. Breitbandiger werdende Multimediadienste, die einen höheren Datendurchsatz pro Sekunde zur korrekten Darstellung benötigen, heben ebenso die Nachfrage von Endkunden an größerer maximaler Durchsatzrate.
Die Folge dieser Entwicklung liegt in der steigenden Größe der gesamten Datenmengen pro Internetnutzer. Durch die bislang bestehenden Services mit Telefonwählverbindung, d.h. fester oberer Durchsatzrate, resultiert eine längere Onlinezeit pro User und somit auch höhere Kosten. Die Endkunden sind natürlich nur unwillig bereit zusätzlichen Kosten zu zahlen. Zudem entsteht der Eindruck, daß das Internet immer langsamer funktioniert.
Folge ist, daß die größeren Datenmengen zwar abgerufen werden, gleichzeitig aber auch die Endkunden eine Nachfrage nach breitbandigen Internetservices entwickeln, um die Onlinezeit auf zumindest dem gleichen Zeitraum aus Kostengründen zu beschränken.
Im folgenden Abschnitt möchte ich Anwendungen vorstellen, die für breitbandige Multimediadienste besonders gut geeignet sind oder ohne Breitbandanwendung nicht im gewünschten Maß funktionieren. Dabei gehe ich bewußt von der alleinigen Bereitstellung von Internetbandbreite weg, obwohl diese Anbindungen auch sehr wohl via Internet, bei entsprechend nutzbarer Mindestbandbreite, übertragen werden könnten. Vielmehr soll hier das Potential für Multimediaanwendungen im Closed-Network-Intranetbereich angesprochen werden.
Bei Teleteaching handelt es sich meist um eine unidirektionale Breitbandverbindung mit telefonischem oder schmalbandigen Rückkanal. Typische Anwendungen sehen z.B. vor, daß ein Professor an einem anderen Ort als vor dem Auditorium die Vorlesung hält und das audiovisuelle Signal dorthin übertragen wird. Zu dem besteht die Möglichkeit, bei entsprechender Infrastruktur durch zusätzliche Datensignale weitere Medien zu steuern. Rückfragen zum Inhalt erhält der Dozent meist über eine Telefonleitung oder über Schmalbandvideoverbindungen. Teleteaching kann durch das Internet, Glasfaser- oder Satellitenkommunikation weltweit erfolgen.
Der Anspruch an breitbandige Multimediaservices liegt auch in der nötigen Datenmenge, die das System für die korrekte Darstellung der fernübertragenen Inhalte benötigt, da die Darstellung einer Vorlesung höheren Qualitätsansprüchen genügen muß.
Die untere Grenze für Vollbilddarstellungen liegt bei sechs parallelen ISDN-Kanälen (384 kbps) unter der Voraussetzung, daß keine anderen Services diese Bandbreite belegen. Dieser Wert gilt auch als untere Qualitätsgrenze für satellitengestützte Zuführungen mit guten Codecs (z.B. Rembrandt). Für MPEG-2/DVB codierte Übertragungen müssen zwei Mbps reserviert werden. Hierbei entfallen, bei der Verwendung von normalen DVB-Encodern ohne zusätzliche Kompression, 1,5 Mbps auf das Videosignal (unterste Grenze) und 256 kbps auf den Audioanteil.
Je nach Applikation kann der breitbandige Vorwärtskanal als Eingangssignal
am Encoder bereits als Daten oder als getrenntes audiovisuelles Signal
vorliegen. Demnach können auch unterschiedliche Übertragungsprotokolle
genutzt werden, die u.U. auch eine Multiplexverbindung ermöglichen,
wenn nur ein Teil der zur Verfügung stehenden Bandbreite (z.B. E3-Anbindung)
zur Darstellung genutzt wird.
1.2.2.2. IP-Phone
IP-Phone ist eine Anwendung für Telefonie via Internetkonnektivität vom PC aus. Verschiedene Anbieter mit breitbandigen Anbindungen zu ihren jeweiligen ISPs bieten hierzu internationale Gateways in das Telefonnetz an, d.h. über eine spezielle Software wird der Internetnutzer bidirektional vollduplex über das Internet mit dem Gateway verbunden. Das Telefonie-Gateway wählt dann die entsprechend verlangte Rufnummer des Teilnehmers an und ermöglicht so eine Telekommunikationsverbindung. Der Sinn eines solchen Gesprächsaufbaus liegt im Unterschied der anfallenden Kosten, die der Anrufende als Gesamtpreis zu zahlen hat.
Um IP-Phone durchzuführen sind neben der entsprechenden Gateways beim Dienstanbieter für eine gute Verständlichkeit, die direkt an den Datendurchsatz gekoppelt ist, breitbandige Anbindungen notwendig, die stabil während der gesamten Anrufzeit gehalten werden müssen. Um bei dieser Telekommunikationsverbindung Geld zu sparen, wird sich das Gateway meist nicht in der Nähe des Anrufenden befinden, vielmehr muß es möglichst kostengünstig zum Anzurufenden die Telefonverbindung aufbauen können. Dies bedeutet, daß es sich bei den IP-Verbindungen häufig um Weitverkehrsverbindungen handelt.
Für eine gute Sprachverbindung über IP ist theoretisch zwar nur eine Übertragungsrate von 8 kbps notwendig. Aufgrund von möglichen Kollisionen, zerstörten Datenpaketen und zur besseren Veständlichkeit sollten hier Werte zwischen 16 kbps und 64 kbps erreicht werden. Dies ist allerdings oft, durch die terrestrische Weitverbindungsschaltung bedingt, nur mit höheren Leitungskosten erreichbar.
Bei der Nutzung von geostationäre Satelliten haben bidirektional
ausgestrahlte Signale, aufgrund des großen Abstands der Satelliten
von der Erdoberfläche, eine Latenzzeit von 560 ms im "Roundtrip".
Trotzdem bietet sich für IP-Phone eine breitbandige Internetsatellitenverbindung
an. Man kann hierbei erstens hohe stabile Durchsatzraten erreichen, zweitens
weite Strecken überbrücken, drittens unterentwickelte Regionen,
z.B. in Osteuropa außerhalb der Hauptstädte, mit einem professionellen
Service anbinden, viertens mit Echodämpfern die entsprechenden Verzögerungsgeräusche
filtern und fünftens über VSAT-Applikationen viele verschiedene
Punkte mit diesem Dienst versorgen.
1.2.2.3. Streaming-Services
Streaming-Anwendungen sind unidirektionale Anwendungen, die aufgrund von einer einzelnen Anfrage an einen bestimmten Server gestartet werden und so dem Anwender auf dem eigenen PC zur Verfügung gestellt werden. Mit Streaming werden gewöhnlich Audio- und Videodaten übertragen, die bei einer u.U. auftretenden fehlerhaften Darstellung, da bei einer unidirektionalen Anbindung keine nochmalige Übertragung des Datenpakets angefordert wird, keinen großen Qualitätsverlust aufweisen. Bei auftretenden Fehlern wären zu bearbeitende Daten hingegen verloren, Programme könnten nicht ausgeführt werden.
In der heutigen Zeit werden über die bestehenden schmalbandigen Internet-Verbindungen viele verschiedene multimediale Streaminganwendungen ausgeführt. Klassische Anwendungen über heutige weltweite Internetverbindungen sind z.B. Radioübertragungen im RealAudio-Format oder Videofileübertragungen nach MPEG-1-Codierung. Dabei wird im Audio- als auch im Videobereich mit Bandbreiten gearbeitet, die nicht über 56 kbps liegen. Vor allem die Qualität der Videoverbindungen sind dabei eher schlecht, da nur kleine Fenster und nur langsame Bildfolgen möglich sind.
Breitbandige Multimediaanwendungen können hier Abhilfe schaffen. Je nach gewünschter Anwendung ist hier die technische Durchführung der Strecke unterschiedlich. Für die öffentliche Bereitstellung von Videodateien sind Internetübertragungsformen notwendig. Für sehr breitbandige Übertragungsverfahren (größer als zwei Mbps) können Verfahren des digitalen Fernsehens genutzt werden. Allgemein gilt aber auf jeden Fall, daß eine höhere Qualität von Bild und Ton, größere Bilddarstellungen und höhere Bildfolgefrequenzen mehr Datendurchsatz verlangen. Qualitativ hochwertige Streaming-Anwendungen sind hier nur mit breitbandigen Multimediadiensten durchführbar.
Durch die Implementierung von Zwischenspeichern (Proxy-Servern) können so für die Enduser interessante bereits abgeschlossene Streaminganwendungen (z.B. die Hauptnachrichtensendung eines TV-Programms) in diesen Computern abgelegt und durch die Nutzer direkt über Satellit angefordert oder ggf. ausgestrahlt werden. Ein Beispiel ist hierfür der TV-Sender EINS EXTRA im ARD-Digitalpaket, der rund um die Uhr in MPEG-2 die entsprechend aktuelle Nachrichtensendung über ASTRA 1G (19,2° Ost) wiederholt.
Für Liveanwendungen ist die Verbindung etwas aufwendiger, da die
breitbandige Bereitstellung des Services über die gesamte Strecke
erfolgen muß. Zudem muß davon ausgegangen werden, daß
viele unterschiedliche Nutzer sich diesen Service gleichzeitig ansehen
oder anhören möchten. Eine entsprechend breitbandige Anbindung
des Servers ist somit von absoluter Wichtigkeit, besonders wenn z.B. wie
bei Internetverbindungen einzelne Connects vom Server zum Nutzer breitbandig
aufgebaut werden. Um die Vielzahl von Usern kostengünstig in einer
großen Fläche anzubinden, empfiehlt sich hier ebenfalls eine
Satellitenverbindung vom Server zu den Nutzern.
1.2.2.4. Videokonferenzen
Breitbandige Multimediadienste können bestehende Services verbessern oder ausbauen, andere Systeme wie z.B. Videokonferenzen, die bislang zusätzliche ISDN-Multiplexwählverbindungen benötigt haben, können einfach in die bestehende Konnektivität implementiert werden. Dies bedeutet, daß keine zusätzlichen Leitungen mehr aktiviert werden, sondern das bestehende Breitbandinternet, u.U. sogar parallel, für audiovisuelle Übertragungen verwendet wird.
Durch die Anwendung von spezieller Videokonferenzsoftware, wie z.B. NetMeeting oder CuSeeMe, können Verbraucher untereinander über die breitbandige Multimediaanbindung audiovisuellen Kontakt aufnehmen. Durch die Ausnutzung der Breitbandverbindung wird dabei eine Großbilddarstellung, eine schnellere Bildabfolge und ein deutlich qualitativ hochwertiger Ton in der Verbindung zur Verfügung gestellt. Die Datenraten liegen dabei vollduplex bei etwa 512 kbps, die ständig und dauerhaft reserviert werden.
Ein Vorteil der Satellitenausstrahlung ist z.B. die Möglichkeit, von einer Person zu vielen anderen eine Verbindung zu erreichen (Point-to-Multipoint), wobei die Empfänger nur innerhalb der Satellitenausleuchtzone einen "AccessPoint" (VSAT-Antenne) für das entsprechende System haben müssen.
Neben der Möglichkeit Breitbandübertragungsdienste über terrestrische Anbindungen zu verteilen, gibt es die Möglichkeit der Signalzuführung in der Netzebene Drei, dies umfaßt z.B. die Anbindung der BKTV-Kabelnetze oder ISPs, zu den Kunden via Satellit. Im erdgebundenen Bereich stehen für multimediale Übertragungen die ATM- bzw. ADSL-Netze der privaten terrestrischen Netzbetreiber an erster Stelle. Die Satellitenausstrahlung hat gegenüber diesen Services aber durch die Entwicklungen und feste physikalische Gegebenheiten einige Vorteile, die ich in den nächsten Unterpunkten darlegen möchte.
Durch die physikalische Lage und ihrer entsprechenden Konfiguration haben Satelliten auf der geostationären Umlaufbahn in 35786 Kilometern Höhe über der Erdoberfläche vereinfacht eine feste Position am Himmel. Durch die Ausleuchtzonen (Footprints) für den Empfang- und Sendebetrieb, die maßgeblich von der Form der Satellitenantennen sowie der Leistungsfähigkeit der Wanderfeldröhrenverstärker abhängen, können die Signale mit entsprechendem Aufwand über Satellit ausgestrahlt und wiederum empfangen werden.
Da sich die Footprints natürlich nicht genau nur auf einen bestimmten Punkt beziehen, sondern im Allgemeinen Satelliten die Signale bei vertretbarem Aufwand über eine größere Fläche verbreiten (z.B. für Deutschland über DFS Kopernikus, für Frankreich über Télécom 2 oder für Europa über Eutelsat II und W), können übertragene Telekommunikationsdienste von vielen verschiedenen Stationen empfangen werden.
Dabei wird das Signal nur von einer einzigen Sendestation zum Satelliten hin ausgestrahlt. Dieses Punkt-zu-Mehrpunkt, oder Point-to-Multipoint, Verfahren wird häufig verwendet. Sämtliche via Satellit ausgestrahlten analogen und digitalen Fernsehprogramme können so z.B. wie VIVA über HotBird 5, 13° Ost, europaweit empfangen werden.
Business-TV-Anwendungen für geschlossene Benutzerkreise, wie z.B. Händlerschulungen (z.B. von Fiat Italia auf Eutelsat W2, 16° Ost) oder Nachrichtenzuführungen für mehrere TV-Stationen (z.B. von der EBU auf Eutelsat II-F4M, 7° Ost, oder Reuters TV auf Intelsat K, 21.5° West) verwenden diese Form der Signalzuführung bereits seit einigen Jahren. Diese werden seit etwa zwei Jahren auch in digitaler MPEG-2-SCPC-Technologie übertragen.
Auch der umgekehrte Fall wird durchgeführt. So werden z.B. Kreditkartendaten von mehreren bundesweit operierenden Tankstellenfirmen über ein VSAT-Netzwerk (z.B. auf DFS 2 Kopernikus 2) an die Zentralstelle der Kreditkartenorganisationen zur Erfassung und Überprüfung übermittelt. Die entsprechenden Genehmigungsnummern werden folgend über einen einzigen Carrier, der von der zentralen Hubstation abgestrahlt wird, an die entsprechende Tankstelle mit einem Sicherungscodierung versehen verschlüsselt zurück übertragen.
Für Multimediabreitbanddienste hat die Möglichkeit, das Point-to-Multipoint-Verfahren anzuwenden, einen entscheidenden Vorteil. Zur unidirektionalen Bereitstellung an vielen verschiedenen Punkten braucht z.B. nur eine einmalige Ausstrahlung des entsprechenden Dienstes gemacht zu werden. Durch die Möglichkeit der digitalen oder analogen Aufzeichnung auf Videorecorder, Betacam oder Harddisk sowie mit den hochwertigen Schutzkodierungen zur Fehlererkennung und -beseitigung kann sogar problemlos eine Studioqualität (E2-MPEG-2-Leitungen) gesendet werden.
Auch die interaktiven Breitbandanwendungen im reinen Datenbereich, z.B.
Real-Internet oder PC-Videokonferenzen, können auf Vorteile zurückgreifen.
Durch die Installation von kleinen kostengünstigen VSAT-Sendeantennen
und einer leistungsfähigen Hubstation können im Vorwärtskanal
breitbandige Signale (bis zu 55 Mbps) empfangen werden und die entsprechend
benötigten Datenraten über die Terminals wieder zurückgesendet
werden. Dabei wird, je nach Anforderung, von Übertragungsgeschwindigkeiten
zwischen 32 kbps und E2 ausgegangen. Besonders diese Übertragungsform
von reiner Bandbreite für Internetservices spielt eine entscheidende
Rolle in der europaweiten Vermarktung der Netzebene Drei.
1.3.2. Die zentrale Hubstation
Das Herzstück eines satellitengestützten Netzwerks ist durch die Aufbereitung sowie Verarbeitung der Satellitensende- und -empfangssignale die zentrale Hubstation. Hier müssen die größten Investitionen gemacht werden. Dazu gehörenen die Hardware der Antenne, Reflektor und Elektronik, und die notwendigen Geräte für die Aufbereitung der Signale in Modulation, Frequenzanpassung, Demodulation und Regeneration. Bei einem gewünschten Versorgungsgebiet von z.B. Europa, dies ist über Eutelsat möglich, muß diese Finanzierung aufgrund der weiten Ausleuchtzone nur einmal durchgeführt werden.
Alle Netzwerkempfangsstationen werden auf direktem Weg über Satellit
erreicht. So müssen keine weiteren Investitionen mehr, wie z.B. für
die terrestrische Signalverbreitung durch Richtfunkstrecken oder Glasfaserkabel
und Weiterleitung in Peeringpoints, die zusätzliche Konnektivitätsprobleme
bedeuten können, aufgebracht werden. Die Anzahl der Terminals wird
dabei von der zu Verfügung stehenden Konnektivität begrenzt und
liegt zwischen einem und mehreren hundert Terminals.
1.3.3. Einmalige Backbone-Internetanbindung erforderlich, zusätzliche Leitungsprobleme und -kosten entfallen
Die Vorwärtsstrecke in einem breitbandigen Multimediadienst wird durch die Anwendung des Point-to-Multipoint-Verfahrens als gemeinsamer Speisekanal betrieben. Zur Zuführung z.B. von Internetkonnektivität wird damit nur noch ein Anschluß für viele Empfangsstationen an einen Backbone benötigt, da das Multiplexing im Vorwärtskanal physikalisch und im Rückkanal durch die Signalaufbereitung der verschiedenen Empfangskanäle in der zentralen Hubstation durchgeführt wird.
Die Kostenfrage für die Zuführung des Signals über angemietete Standleitungen oder Richtfunkstrecken in ländlichere Gebiete liegt im Vergleich zu der Satellitenzuführung nicht im vertretbaren Bereich des im Umsatz zu erwartenden Kundenaufkommen. Hier ist die Preispolitik und der Aufwand für die terrestrischen Netzbetreiber momentan noch zu hoch.
Weiterhin wird bei bestehender Infrastruktur die Umgehung von mutmaßlich
überlasteten Peeringpoints innerhalb des terrestrischen Netzes durch
die Satellitenlösung erreicht. Die bidirektionale direkte Anbindung
bekommt so eine totale Unabhängigkeit vom terrestrischen Netzwerk
im Bereich der Endkundenanbindung.
1.3.4. Flexibilität
Entscheidend für den Neuaufbau von Stationen und die Möglichkeit der zusätzlichen Inbetriebnahme von weiteren Terminals ist die Flexibilität der Satellitenverbindung. Innerhalb der Kernausleuchtzone im Downlink bzw. in der Empfangszone der Satelliten-RX-Antenne im Uplink kann die Satellitensende- und -empfangsantenne problemlos von einem stationären Betriebspunkt zum nächsten transportiert werden. Die Sende- und Empfangsparameter bleiben dabei gleich, da sich die Parameter der Übertragungsstrecke für den Satelliten selbst nicht geändert haben, d.h. solange die atmosphärischen und elektromagnetischen Bedingungen (höheres Rauschen aufgrund geringerer Elevation, höhere Regenwahrscheinlichkeit, Interferenzen mit anderen Sendern, etc.) sich nicht geändert haben. Änderungen sind beim Wiederaufbau meist nur in der Ausrichtung der Antenne (Elevation/Azimuth) zu beachten. Entsprechende Kabellängenunterschiede sind durch Zugabe bzw. Dämpfung der entsprechenden Signalleistungen auszugleichen.
Bei der zusätzlichen Koordinierung von Satellitenkapazität, dies ist bei der Inbetriebnahme einer weiteren neuen Station innerhalb eines Netzwerks gefragt, kann der Nutzer, je nach Ausstattung der Bodenstation unterschiedlich, entweder auf einen Transponder, ein Frequenzband, eine Polarisationsebene oder den ganzen Satelliten zugreifen. Danach richtet sich auch die Berechnung der zusätzlich gewünschten Satellitenbandbreite in der Frequenz, der Art der Modulation und der angewandten Schutzcodierung. Beide bestimmen in Abhängigkeit voneinander die Bandbreite (in MSymbps) des Übertragungskanals. Der Vorteil von einer flexiblen VSAT-Station liegt in der freieren Zuteilung der gewünschten Bandbreite durch den Satellitenbetreiber.
Durch die Ausnutzung von freier Satellitenkapazität können
die Übertragungsparameter der gewünschten Strecke frei angepaßt
werden. Durch Kodierungsgewinne, die bei der Verwendung von Schutzcodierungen
wie Viterbi oder Reed Solomon anfallen, kann die Leistung in Bezug auf
die belegte Bandbreite bei gleicher Nettoübertragungsrate angepaßt
werden.
1.3.5. Kostenersparnis durch Leitungsasymetrie
Nicht jede Station wird innerhalb eines Breitbandmultimediadienstes eine gleiche Bandbreite im Vorwärtskanal wie im Rückwärtskanal benötigen. In der Satellitentechnologie kann durch die entsprechende Wahl und Bezugnahme auf die gewünschten anzubietenden oder zu abonnierenden Services an jedem Punkt des Gesamtnetzwerks ein unterschiedliches Profil erstellt werden.
Ein Kunde, der z.B. VideoOnDemand-Dienste oder Real-Internet-Konnektivität einkaufen möchte, benötigt im Vergleich zu seinem Vorwärtskanal eine Sendestrecke, die nur aus etwa 1/10 bis 1/20 seiner empfangenen, in Dienst garantierten persönlichen Bandbreite besteht. Hingegen braucht der Betreiber eines Videoservers eine wesentlich stärkere Anbindung im abgehenden Kanal als beim Empfang.
Bei terrestrischen Services (mit Ausnahme des momentan laufenden ADSL-Betriebsversuchs der DTAG für Endkunden oder SoHo-Umgebungen) ist es momentan noch üblich, daß in beide Richtungen vollduplex die gleiche Geschwindigkeit verfügbar ist, z.B. im ISDN oder E1/2/3-Netzwerk.
Innerhalb des Satellitennetzwerks kann bei der Berechnung der individuellen Linkbudgets so die für den geplanten Service benötigten Bandbreite genau berücksichtigt werden. Dies ist auch ein entscheidender Faktor bei den Investitionen, die für den physikalischen Aufbau der Anbindung entsprechend notwendig sind. Durch das geringere Leistungs-Bandbreiteprodukt von kleineren Trägern, können z.B. 128-kbps-Träger über DFS 2 Kopernikus mit einer Verfügbarkeit von 99,99% im Jahr mit kleinen 80cm-Antennen und einem 0,5-Watt-Transistorsender im Ku-Band durchgeführt werden. Für einen 2-Mbps-Carrier sind dagegen von 1,2-Meter-Terminals mit zwei Watt SSPAs erforderlich. Dies entspricht einem Investitionsvolumenunterschied von etwa 8000 DM.
Aber auch in der gebuchten Satellitenkapazität, die nach genutzter Leistung, Bandbreite und Zeit bezahlt werden muß, kann so gegenüber symetrischen Leitungen eingespart werden, da z.B. der Endkunde nur den benötigten Rückkanal und anteilig den serviceabhängigen Vorwärtskanal des Breitbanddienstes zahlen muß. Weiter kann z.B. ein Internetprovider Globallösungen anbieten, wobei unterschiedliche Bandbreiten im Rückkanal unterschiedliche monatliche Preisdimensionierungen ergeben. Gemäß dem obigen Beispiel würde z.B. ein 128kbps-Träger 15000 DM und ein 2-Mbps-Carrier 40000 DM monatlich an Satellitenkapazität kosten.
1.4. Die Rolle des Internet im Bezug auf breitbandige Multimediaapplikationen
Das weltweite Internet-Netzsystem hat eine besondere Bedeutung auch für heutige oder zukünftige Multimediabreitbandsysteme. Die Verteilungen von breitbandigen Inhalten, Services und Anforderungen kann weltweit nur effizient durch die Ausnutzung und Erweiterung der bereits vorhandenen Leitungssysteme erfolgen, d.h. unter der Nutzung der bestehenden Glasfaser-, Kupfer- oder Satellitenübertragungsstrecken. Die Darstellung von Bild-, Videofilmsequenzen oder Livedarstellung von TV-Programmen mit geringer Auflösung, und Tonmaterial ist bereits heute im Internet durch entsprechende "Browser-PlugIn-Programme" schon möglich. Durch die Weiterentwicklung auf diesem Sektor wird das Internet in der Zukunft selbst in der Lage sein, hochqualitative Breitbandübertragungsstrecken zum Endkunden bei einer hohen lokalen Verfügbarkeit bereit zu stellen.
1.4.1. Internationales Netzwerk
Das Internet ist das internationale Netzwerk der heutigen Zeit. Durch die Verkettung der verschiedenen Anbieter von Internetkonnektivität in den Peeringpoints können Daten weltweit providerübergreifend ausgetauscht werden.
Das Internet wurde zunächst als ARPANET 1969 in den USA als Kind des kalten Krieges geschaffen. ARPA steht hier für "Advanced Research Projects Agency", eine Agentur, die dem Verteidigungsministerium der USA direkt unterstand. Das ARPANET, das Netzwerk der ARPA, nahm mit dem Anschluß einer kleiner Anzahl von Computern via langsamer Telefonmodemverbindungen den Betrieb auf.
Im Jahr 1980 erhielt das ARPANET eine neue Struktur und mit dem TCP/IP-Protokoll ein leistungsfähiges Übertragungskontrollsystemprogramm. Der Datenaustausch zwischen Universitäten in den USA und militärischen Organisationen wurde hierüber jetzt abgewickelt. Der weltweite Siegeszug hingegen begann erst Anfang der neunziger Jahre durch schnellere Modemverbindungen, geroutete Netzwerke und leistungfähigere Computer, die seitdem nach einheitlichen Standards (IP-Adressen, TCP/IP-Protokoll, etc.) arbeiteten.
Die Vorgaben für eine schnelle weltweite Ausbreitung des Internets waren somit gegeben, die internationale Vernetzung begann und wird laufend ergänzt, fortgesetzt und erweitert. Mit der Zuweisung von IP-Adreßgruppen an unterschiedliche Netzbetreiber wurde die Möglichkeit geschaffen, Datenpakete über verschiedene Strecken zu routen.
Dadurch sind Internetverbindungen sehr flexibel. Beim Ausfall eines Leitungsbereichs kann z.B. durch entsprechende Programmierung von Routerbausteinen auf möglicherweise parallel installierte und angeschlossene Netzwerke zurückgegriffen werden. An wichtigen Knotenpunkten ist die Einrichtung von solchen zusätzlichen Anschlüssen, z.B durch die Anbindung und Verknüpfung von mindestens zwei verschiedenen Netzen unterschiedlicher Betreiber mit Hochgeschwindigkeitsleitungen (E3 und höher), heute eine Systemvoraussetzung.
Der Endkunde und Nutzer des Internets sieht dabei kaum einen Unterschied,
ob die abgefragten Daten aus Japan, den USA oder Südafrika stammen;
allein schmalbandige Anbindungen zwischen zwei Verbindungspunkten sowie
überlastete Knotenpunkte (Router) sind hier von entscheidender Bedeutung
im Bezug auf die Übertragungsgeschwindigkeit.
1.4.2. Internet als Anwendungscarrier
Zunehmend hat das Internet, welches aus den vergangenen Jahren vielmehr als Informationsquelle für Nachrichten, wissenschaftliche Arbeiten und Software galt, auch den Charakter eines Anwendungscarriers gewonnen.
Mit Hilfe von breitbandigen und stabilen Services, wie z.B. durch die Nutzung der VSAT-Satellitentechnologie, wird es nun ermöglicht, auch qualitativ hochwertige Anwendungen zu den Endkunden zu übertragen. Hierbei geht es nicht um kleine RealVideo- oder LiveRadiofeeds in der bekannten "Kleinfenster-Monotelefon-Qualität", sondern vielmehr um die Zulieferung von kompletten Spielfilmen in Vollbildgröße bei Datendurchsätzen in der Größenordnung von größer oder gleich zwei Mbps in UDP.
Auf der Serverseite kann dies durch den Einsatz von DVD-Playern, die interaktiv an das abgehenden Internetbackbonenetzwerk angeschlossen sind, realisiert werden. Die DVD-Technologie ermöglicht die Speicherung von audiovisuellen und interaktiven Informationen auf einer der CD ähnlichen Polykarbonatscheibe durch digitale Datenkompression. DVD-Player und das passende Informationsangebot besitzen im Gegensatz zu Europa bereits in den Vereinigten Staaten, dem Zentrum des weltweiten Internetverbunds, eine große Marktakzeptanz.
Für den Radiobereich kann z.B. ein Datenstrom, der via Satellit zur Versorgung der terrestrischen Sender bereits ausgestrahlt wird, mit einer passenden Serversoftware für Internetanwendungen in CD-Qualität (entspricht 256 kbps und höher) bereitgestellt werden. Dazu muß das vorhandene Signal nur über Satellit empfangen und z.B. durch Streamingsoftware breitbandig in das VSAT-System eingespeist werden.
Der Trick dieser gesamten Technologie liegt beim Endverbraucher selbst. Durch die Kompatibilität der Internetbrowsersoftware, die bei den heutigen Anwendungen innerhalb des Schmalbandinternets eigentlich unterfordert ist, können mit den heutigen Browsern, z.B. InternetExplorer oder NetscapeCommunicator, diese breitbandigen Dienste bereits genutzt werden. Dies bedeutet, daß der heutige Internetkunde weitestgehend keine neue Internet-PlugIn- oder Browsersoftware benötigt, um die möglichen Breitbanddienste nutzen zu können.
Mit entsprechendem Aufwand können diese Services, primär um
Übertragungsbandbreite auf dem Backbone zu sparen, auch im Multicastverfahren
durchgeführt werden. Hierbei wird der Datenstrom nur einmal generiert
und folgend von mindestens einer Station empfangen. Die Schwierigkeit liegt
auf der Netzwerkebene im entsprechenden Aufteilen der Datensegmente zu
den Endverbrauchern, um nicht alle "Last Mile"-Systeme mit ggf. ungewollten
Daten zu überschwemmen. Außerhalb der Internetsysteme wird dieses
Verfahren bereits lange angewendet; die Verbreitung von Satellitensignalen
gleich welcher Art kann beim Empfang als Multicastausstrahlungen angesehen
werden.
1.4.3. Bereitstellung von Bandbreite höchstes Ziel
Durch die Kompatibilität der Anwendungsinhalte und der zentralen breitbandigen Anbindung an das bestehende Internetnetzwerk an der Basisstation des VSAT-Systems ist die "simple" Bereitstellung von Bandbreite höchstes erreichbares und kostenintensivstes Ziel.
Durch die Bereitstellung eines Vorwärtskanals für mehrere oder viele Remotestationen kann die Auslastung des Systems (durch breitbandige Multimediaanwendungen) in die Sättigung geraten, falls nicht breitbandig genug kalkuliert wird. Durch die Leitungsasymetrie in Internetverbindungen zu den Endkunden hat der Vorwärtskanal grundsätzlich die entscheidende Bedeutung.
Für große angeschlossene Netze sollte daher bedacht werden, daß ggf. ein ganzer Satellitentransponder allein für diesen Großkunden genutzt werden muß. Die Flexibilität der Satellitenanwendungen ermöglicht jedoch, je nach Nachfrage, einen geringeren Anfang und eine folgende Erhöhung des Bandbreitenbedarfs.
Bei der Kalkulation des notwendigen Bedarfs an Bandbreite muß aber zwingend berücksichtigt werden, daß es sich bei breitbandigen Anwendungen via Satellit für Internet grundsätzlich um ein "Shared Medium" handelt, d.h. ein Kanal wird von vielen genutzt, und diese vielen Nutzer sind nicht gleichzeitig im Internet mit Höchstgeschwindigkeit aktiv. Wenn z.B. 1000 Endkunden an das System angeschlossen sind, werden nicht alle 1000 zeitgleich viel oder eine maximale Bandbreite benötigen. Einige Stationen werden abgeschaltet sein, einige mit niedrigerer Geschwindigkeit arbeiten und nur eine geringere Prozentzahl mit Hochgeschwindigkeit diese Anbindung nutzen. Eine Analyse der abgefragten Medien innerhalb eines Netzes bzw. die Systemintegration von Proxy/Cacheservern oder Internetcontentapplikationen ist hier hilfreich.
Entsprechend gelten diese Überlegungen auch für den Internetrückkanal.
Die zur Verfügung zu stellende Bandbreite hängt deutlich von
den Kundenprofilen ab. Industriebetriebe, die z.B. ihren E-Mail-Verkehr
parallel zu den breitbandigen Anwendungen wie Videokonferenzen oder Streamingservices
abwickeln wollen, benötigen einen breitbandigeren Anschluß als
eine Kabelinsel mit mehreren angebundenen Endkunden, die "normalen" Internetverkehr
(Softwaredownload, Videos, Radio, TV, etc.) betätigen.
1.4.4. "Killerapplication"
Durch das weltweite starke Wachstum des Internetmarkts und der immer professioneller werdender Anwendersoftware im Internetbereich kann das Internet bzw. die Verbreitung von Bandbreitenkapazitäten als DIE "Killerapplication" der heutigen Zeit angesehen werden.
Durch die außerordentlichen Umsatzzugewinne und Wachstumsraten, die im Anstieg der Internetnutzerzahlen zu ergründen ist, bietet das Internetgeschäft besonders durch die attraktiven Möglichkeiten der Satellitenausstrahlung außerordentliche Chancen zur Umsatzsteigerung oder -maximierung.
Dabei muß besonders die Kombination aus herkömmlichen Telekommunikationsanwendungen,
wie z.B. IP-Phone, Videokonferenzen, Radio, TV, etc. und dem heute bekannten
Internet als Medium für den Informationsaustausch beachtet werden.
Da die Tendenz zu immer breitbandigeren Verbindungen im Internetmarkt voranschreitet
und die heutige Kompressionstechnik immer höhere Datenreduktionen
anbietet, werden zukünftig viele dieser Anwendungen stabil und exklusiv
über das Internet angeboten.
In diesem Kapitel werde ich auf die Satellitenübertragungstechnik im Einzelnen eingehen. Hierbei sollen die physikalischen und elektrotechnischen Betrachtungen der Satellitenkommunikation auf der Hardwareseite im Vordergrund stehen. Eine Berechnung eines kompletten Linkbudgets für eine 8 Mbps/256 kbps-VSAT-Breitbandverbindung von Deutschland nach Griechenland und zurück soll dabei als Beispiel für eine Dimensionierung einer Satellitenstrecke mit multimedialen Datenverkehr betrachtet werden.
Abbildung 3: EUTELSAT-II-Satellit
Satellitenkommunikation begann geschichtlich gesehen mit einem "Schock". Als im Jahr 1957 die Sowjetunion den ersten Satelliten "Sputnik" in eine Erdumlaufbahn schoß, hatten die Menschen in der westlichen Welt eher Angst als ein Verständnis für die weitgehende und zentrale Bedeutung dieses historischen Augenblicks für Telekommunikationsverbindungen via Satellit.
Abbildung 4: Satellit "Sputnik"
Diese ersten Satelliten, darunter Sputnik (UdSSR) und Vanguard (USA), hatten innerhalb von Telekommunikationsdiensten nur wenig Verwendung. Das Hauptziel war es zunächst die etwa 60 bis 100 Kilogramm schweren Satelliten zunächst einmal ins All auf eine konstante Umlaufbahn zu bringen. Diese lag in einer Höhe von wenigen hundert Kilometern, so daß diese Satelliten im Vergleich zu den heutigen geostationären Systemen nicht als feste Punkte im Himmel zu sehen waren. Die Umlaufgeschwindigkeit dieser Satelliten, von denen noch heute eine große Anzahl als "Weltraumschrott" sich in ihrem Orbit befinden, lag zwischen zehn und 14 Erdumkreisungen pro Tag.
Im Jahre 1963 gelang es dann den Amerikanern mit ihrem zweiten SYNCOM Satelliten den ersten geosynchronen Satelliten (40 kg schwer, zwei Transponder) in Betrieb zu nehmen. Dieser Satellit war bei einer Inklination von 24° noch vollständig geostationär. Damit war auch praktisch die Voraussage erfüllt, die Herr Arthur Clark knapp dreißig Jahre füher mit der Postulierung der Existenz eines geosynchronen Orbits getroffen hat. Über SYNCOM 2 wurde die erste geostationäre Telefonübertragung durchgeführt, SYNCOM 3 wurde zur Übertragung der Olympischen Spiele 1964 von Tokyo in die USA genutzt.
Der internationale Siegeszug wurde 1965 mit der erfolgreichen Positionierung des ersten Intelsat-Satelliten EARLY BIRD eingeläutet. Nun konnten über zwei Transponder im C-Band mit einer maximalen EIRP von 11,5 dBW ein TV-Kanal oder Telefonverkehr auf der Position 27,5° West über dem Atlantik zwischen Europa und den USA geschaltet werden. Dabei waren TDMA/FDMA-Systeme noch nicht bekannt, so daß sich die vier europäischen Stationen in Raisting (D), Goonhilly (GB), Fucino (I) und Pleumeur-Bodou (F) wöchentlich in der Nutzung des Satelliten im SCPC-Verfahren abwechselten.
In Europa wurden erste Versuche mit selbstentwickelten Satelliten Mitte der 70er Jahre durchgeführt. 1974 wurde der erste europäische geostationäre Satellit SYMPHONIE 1 gestartet. Der von einem französisch-deutschen Konsortium im Jahr 1963 und 1967 vereinbarten Vertrag sah den Bau von zwei Satelliten vor über welchen auf den zwei Transpondern von 4,8 Meter "kleinen" C-Band-Erdstationen Telefon- und Fernsehübertragungen durchgeführt werden konnten.
Im Jahr 1977 wurde (als regionale Organisation in Europa, durch den Zusammenschluß der einzelnen nationalen Telekommunikationsorganisationen) der europäische Satellitenbetreiber EUTELSAT gegründet. Obwohl EUTELSAT erst 1983 den ersten Satelliten ECS 1 startete, diente OTS 2, der erste europäische Ku-Band-Satellit (Start 1978) unter der Führung vor CEPT-Vereinigung und der EBU, als Testplattform für Telekommunikationsdienste.
Anfang der achtziger Jahre wurde geplant, Satelliten-TV-Ausstrahlungen gemäß der WARC1977-Positionszuweisungen als Standard für alle Zuschauer zu etablieren und dafür neue Satelliten mit national begrenzten Ausleuchtzonen zu entwickeln. Diese "Direct Broadcasting Satellites" (DBS) sollten von den Zuschauern mit nur 90 Zentimeter großen Schüsseln empfangen werden und als qualitativ hochwertige Ergänzung zu den terrestrisch zu empfangenden Kanälen gelten. Gleichzeitig wurde geplant, eine neue TV-Norm, MultiplexedAnalogueComponents (MAC), einzuführen, die den Übergang zu hochauflösendem, digitalem Fernsehen HDTV bilden sollte. Durch die technische Entwicklungszeit dieser Satellitensysteme, die fünf Transponder à 63 dBW Strahlungsleistung umfaßten, wurden diese nationalen Systeme erst um 1990 gestartet. Zu dieser Zeit war die Empfangs- und Satellitentechnik aber schon so weit in der Entwicklung fortgeschritten, daß Satelliten, wie z.B. Astra 1A (Start 11.12.1988) im Ku-Band mit 16 Transpondern, bereits europaweit mit nur 60 Zentimeter großen Antennen in PAL, SECAM oder NTSC zu empfangen waren. So fanden diese Satelliten, insgesamt wurden von diesem Typs zwischen 1988 und 1991 sechs Stück gebaut, bei den Zuschauern nur wenig Anklang; die MAC-Normen werden heute nur noch als Codierung für bestimmte Programme eingesetzt. Vier Satelliten hiervon sind heute noch, zum Teil mit reduzierter Nutzlast, in Betrieb.
Entscheidenden Einfluß auf die Entwicklung von immer leistungsfähigeren
Satelliten hat auch die Startraketenindustrie in den achtziger Jahren gehabt.
So konnte z.B. innerhalb von nur neun Jahren von 1979 an das Startgewicht
von Satelliten für die geostationäre Umlaufbahn von 1750 Kilogramm
auf vier Tonnen gesteigert werden. Dies bedeutete, daß mehr Telekommunikationsequipment
und Brennstoff zu Lageregulierung im All in den Orbit geschossen wurden
konnte. In den folgenden Jahren konnte daher ein regelgerechter Boom bei
der Produktion von Fernmeldesatelliten beobachtet werden. Im Vergleich
zu den ersten Satelliten mit einem Startgewicht von einem Zentner und etwa
100 MHz Bandbreite, haben die neusten Satelliten heute eine Masse von bis
zu 4,5 Tonnen bei einer Bandbreite von knapp 3,5 GHz (INTELSAT 9).
2.2. Heutige Nutzung von Satelliten
Weltweit sind momentan über 260 Fernmelde- und Telekommunikationssatelliten auf der erdsynchronen Umlaufbahn für die verschiedensten Dienste (Fernsehen, Radio, Daten, Telefonie, Erdbeobachtung, Militär, etc.) aktiv. Weltweit führend dabei ist die internationale Satellitenorganisation INTELSAT mit Sitz in Washington, USA. INTELSAT betreibt mit derzeit 19 Satelliten ein weltumspannendes Netzwerk für Telekommunikationsdienste. INTELSAT wird durch die staatlichen Organisationen der 142 Mitgliedsländer (Stand: 1997) geführt. International operierende private Satellitenbetreiber sind INTERSPUTNIK (Moskau), PANAMSAT (Washington), LORAL/ORION und NEW SKIES (Amsterdam).
In Europa gibt es mit EUTELSAT einen führenden regionalen Satellitenbetreiber, der momentan 14 Satelliten betreibt. Über EUTELSAT werden neben analogem und digitalen Fernsehen auf der "HotBird"-Position 13° Ost auf den weiteren Satelliten Telefon- und Datendienste sowie gelegentliche Nachrichtenübertragungen (SNG) ausgestrahlt. In direkter Konkurrenz zu den "HotBirds" von EUTELSAT steht der luxemburgische Satellitenoperator SES, die Betreibergesellschaft der ASTRA-Satelliten. Als erster Betreiber hat SES dabei die Kopositionierung von Satelliten im Orbit durchgeführt, um von einer Orbitalposition eine größere Bandbreite anbieten zu können. Das ASTRA-System wurde für die analoge und digitale Ausstrahlung von TV-Programmen konzipiert und führt bislang keinen Daten- oder Telefonverkehr durch. Im nationalen Bereich haben die staatlichen, jetzt privaten, nationalen Telekommunikationsorganisationen in Frankreich, Deutschland, Spanien, Italien und den skandinavischen Ländern eigene nationaloperierende Satellitensysteme entwickelt. Dieser Trend ist aber momentan wieder rückläufig, da die France Télécom und die Deutsche Telekom AG ihre Systeme auslaufen lassen wollen.
Spätestens Anfang 1998 konnte bei den europäischen Satellitenbetreiberorganisationen eine Öffnung gegenüber einer Vielzahl kommerzieller Partner bei der Verbreitung von Multimediadiensten über Satellit beobachtet werden. Für den paneuropäischen Markt ist EUTELSAT hierfür einer der progressivsten, besonders im Bezug auf die Installation von länderspezifischen und länderübergreifenden Multimediaplattformen, die über mehrere Transponder in MPEG-2/DVB betrieben werden. Durch die Wahl von DVB als Verbreitungsmedium hat EUTELSAT die Möglichkeit geschaffen, multimediale Inhalte in Bild, Ton und Datenverkehr direkt zum Endkunden über die EUTELSAT HotBird-Satelliten zu übertragen. Dabei wurden anfangs, ebenso durch den luxemburgischen Betreiber SES/ASTRA, stark auf Push- und Pulldienste gesetzt, da die Problematik durch die Implementierung des Rückkanals über Telefon als zu kostenintensiv und für den Massenmarkt folgend als nicht marktfähig angesehen wurde. Die Tendenz bei beiden führenden Organisationen hier in Europa läuft nun eindeutig zu interaktiven Anbindungen mit unterschiedlichen technischen Planungen. Hierzu müssen die terrestrischen Breitbandanbindungen als Hauptonkurrenz angesehen werden.
Abbildung 5: Bau des Satelliten HotBird 2
Neue Services mit umlaufenden Satelliten in verschiedenen Orbithöhen,
speziell für weltweite Datenkommunikation und Telefonie, befinden
sich momentan in der Installationsphase. Hier sind als führende Firmen
IRIDIUM, ORBCOMM, ICO und TELEDESIC zu nennen. Breitbandige Multimediadienste
sind insbesondere über das TELEDESIC-System von Bill Gates geplant,
welches in der Endausbauphase eine globale Abdeckung von 266 LEO-Satelliten
umfassen soll.
2.3. Hardware
In diesem Kapitel werde ich im besonderen auf die notwendige Hardwareeinrichtung und -voraussetzungen eingehen, die für den Aufbau einer Satellitenkommunikation allgemein notwendig ist. Dies umfaßt das Antennensystem in der Zentral- und Remotestation mit dem zugehörigen Equipment sowie den notwendigen Satelliten. Dabei werde ich das Boden- sowie das Raumsegment getrennt betrachten.
Dieses Unterkapitel umfaßt die technische Beschreibung der Antennen- und Hardwaresysteme am Boden, die für den Betrieb der heutigen VSAT-Netzwerke notwendig sind.
Die Hubstation ist die zentrale Sendeeinheit des VSAT-Netzwerks. Von hier aus werden die zu verteilenden Datensignale ausgestrahlt, ebenso befindet sich hier die zentrale Stelle für Netzwerkoperationen. Durch ihre zentrale Rolle innerhalb des gesamten Netzwerksystems sind besondere technische Eigenschaften nötig, die folgend aufgezeigt werden.
Die Hubstation bildet das Interface zwischen der ankommenden Signal und dem abgehendem Hochfrequenzsignal im Sendeweg sowie zwischen dem ankommenden Hochfrequenzsignal und dem abgehendem Signal im Empfangsweg. Der Zweck der Hubstation liegt hauptsächlich in der Signalaufbereitung, Modulation und Verstärkung des Sende- und Empfangssignals.
Durch die Flexibilität der Position der Hubstation innerhalb des Satellitenfootprints hat der Ort mit der geringsten terrestrischen Signallaufstrecke die günstigste geographische Lage. Für Breitbandmultimediadienste kommen insbesondere die Knoten- oder Ausgangspunkte der transatlantischen Konnektivität per Glasfaser in Frage.
Abbildung 6: Blockschaltbild einer Hubstation
Abbildung 7: Reflektor von HOL-BON-001 (Andrew 3,7 Meter)
Der Reflektor des Antennensystems ist für das Auffangen und Bündeln der elektromagnetischen Strahlungen verantwortlich. Durch die Nutzung des Ku-Bands kann man eine sehr kleine Halbwertsbreite der Antenne und einen großen Gewinn erzielen. Die in der Abbildung sichtbare Antenne hat bei 14 GHz einen Gewinn von etwa 53 dBi bei einer Halbwertsbreite von 0,4 Grad.
Abbildung 8: Wanderfeldröhrenverstärker von HOL-BON-001 (Xicom
350 Watt)
Da die TWTA-Verstärkerendstufe das begrenzende Medium im Bereich der abzustahlenden Sendeleistung (EIRP) ist, kann eine Wanderfeldröhre mit geringer Ausgangsleistung ggf. den Aufbau einer Kommunikationsverbindung via Satellit zunichte machen. Dies gilt vor allem für Satelliten, die eine geringe G/T-Empfangsleistung aufweisen, so daß mehr EIRP von der Bodenstation abgestrahlt werden muß. Die TWTA in der Abildung, die wir als Verstärkungseinheit für unsere Antenne HOL-BON-001 einsetzen, leistet maximal 350 Watt HF, dies entspricht 25,4 dBW.
Abbildung 9: Up- und Downkonverter von HOL-BON-002 mit Spektrumanalyser
Die Up- und Downkonverter erfüllen zwei Aufgaben gleichzeitig. Zum einen verstärken sie das Signal um etwa 30 dB, zum anderen setzen sie das Frequenzband, welches über die Softwareeinstellungen ausgewählt wird, entsprechend um. Der Upkonverter versetzt das Sendesignal von 70 MHz mit einer Bandbreite von etwa 100 MHz in den 14-GHz-Bereich, der Downkonverter verlagert das empfangene 12-GHz-Signal bei einer Bandbreite von 100 MHz in den 70-MHz-Bereich zurück. Als Meßinstrument haben wir hier einen Spektrumanalysator, der einen Meßbereich von 0 Hz bis 22 GHz umfaßt. Dieser große Meßbereich ist wichtig, um die abgehenden und ankommenden höchstfrequenten Signale messen zu können.
Die Implementierung von Redundanzequipment beschreibt die Anschaffung und Inbetriebnahme von mehreren gleichen Einzelbausteinen für einen bestimmten Zweck innerhalb des Systems. Diese zusätzlichen Bauteile werden aufgrund gewünschter erhöhter Systemverfügbarkeitssicherheit eingebaut.
Über besondere Redundanzschalter, die die Funktionälität eines Gerätes überprüfen, werden so z.B. zwei Upkonverter parallel in Betrieb genommen. Bei einem technischen Versagen eines Upkonverters wird dies vom Redundanzschalter über Sensoren bemerkt und innerhalb einer gewissen Zeit auf das BackUp-Equipment geschaltet. Das System bleibt somit operabel und muß nicht aufgrund fehlender oder kaputter Bauteile abgeschaltet werden.
Diese Systemsicherheit bringt technisch sehr viele Vorteile mit sich,
so daß in vielen kommerziell genutzten Erdstationen Redundanztechnik
eingebaut worden ist. Der Nachteil ist hierbei die Kostenfrage. Bei der
Planung einer Erdstation ist daher abzuschätzen, ob ein Ausfall durch
fehlendes Redundanzequipment während des Betriebs oder die vorlaufenden
Investitionskosten einen höheren Schaden bedeuten.
2.3.1.1.2. Leistungen
Die technischen Sende- und Empfangsleistungen einer Zentralstation mit einem 3,7 Meter großen Gregorianreflektor (HOL-BON-002) möchte ich im folgenden Abschnitt kurz darlegen und interpretieren.
TX-Baugruppe:
Eingangsmittenfrequenz: 70 MHz
Mögliche Bandbreite des Eingangssignals: 100 MHz
Eingangsleistung: -30 dBm
Maximale Ausgangsleistung: 21 dBW
Maximale Verstärkung: 81 dB
Ausgangsfrequenzbereich: 14,0 GHz-14,5 GHz
Reflektorgewinn bei 14,25 GHz: 53,1 dBi
Innerhalb des Zwischenfrequenzbereichs von 70 MHz haben die Signale
eine mögliche Bandbreite von 100 MHz. Diese Bandbreite garantiert
die volle Belegung eines 72 MHz breiten Transponders, z.B. für TDMA-Verkehr.
Die Signaleingangsleistung wurde bei den meisten Sendesystemen mit -30
dBm für 70 MHz-Signale gewählt. Der Grund dieser Beschränkung
liegt in der Arbeitspunktansteuerung der Verstärkereinheit. Maximal
mögliche Ausgangsleistungen für TWTA-Verstärker in den Zentralstationen
können bis zu fünf kW über Klystronansteuerungen im Ku-Band
betragen. Der hohe Gewinn der Verstärkung (81 dB) kann natürlich
nicht durch eine Stufe erreicht werden, vielmehr wird durch den Upkonverter
bereits eine Verstärkung von 30 dB erzielt. Die restlichen 51 dB werden
mehrstufig durch eine Transistortreiberstufe und den TWTA-Verstärker
erreicht. International üblich für Uplinkverkehr ist der Frequenzbereich
zwischen 14,0 GHz und 14,5 GHz; für Fernsehstationen und im Falle
einer vollständigen Belegung dieses Bandes, z.B. durch Kopositionierung
von Satelliten, sind ebenso die Frequenzbänder zwischen 12,8 GHz und
13,5 GHz, 13,75 GHz und 14,0 GHz sowie 17,3 GHz und 18,1 GHz für das
Ku-Band. Der Gewinn einer 3,7 Meter großen Cassegrainantenne liegt,
je nach Güte unterschiedlich, zwischen 51 dBi und 53,5 dBi.
RX-Baugruppe:
Eingangsfrequenzband: 10,95 GHz-12,75 GHz
Reflektorgewinn bei 12 GHz: 52,5 dBi
Mögliche Bandbreite des Eingangssignals: Full Band
Eingangsleistung: im pW-Bereich
Ausgansleistungbereich: im -30dBm-Bereich
Maximale Verstärkung: 50 dB-60 dB
Ausgangsfrequenzbereich: 70 MHz
Ausgangsbandbreite: 100 MHz
Die Signale vom Satelliten werden am Boden durch die große Dämpfung von 206 dB nur noch im Picowattbereich aufgefangen und benötigen daher eine erhebliche Verstärkung durch den Antennenreflektor und den nachgeschaltenen rauscharmen Verstärker. Die elektronische Verstärkung erfolgt dabei im LNA, in dem HEMT-Transistoren, die in Reihe geschaltet sind und unter rauscharmen Bedingungen (für das Ku-Band etwa F = 0,6 dB - 0,8 dB) arbeiten. Der Downkonverter erzielt dabei keine weitere Verstärkung, sondern setzt die Empfangsfrequenz innerhalb eines 100 MHz breiten Fensters in die Zwischenfrequenzlage 70 MHz um.
Innerhalb der Satellitenstrecke bildet das kleinste und billigste Element, die VSAT-Remotestation das kritischste RF-Element der Übertragungsstrecke. Im Gegensatz zur zentralen Hubstation sind die Sende- und Empfangsparameter der VSAT-Einheit nur noch für Signale mit geringen Bandbreiten sowie kleine EIRP-Sendeleistungen ausgelegt. Die wichtigsten Eigenschaften einer VSAT-Station möchte ich in den nächsten Kapiteln darlegen.
Technisch gesehen, mit Ausnahme des Antennengewinns, muß natürlich
ein VSAT-Terminal alles das auch können, was eine größere
Erdfunkbodenstelle machen kann oder wozu diese ausgelegt ist. Das bedeutet,
daß die Remotestation ebenso ein LNA, einen Empfangsverstärker,
ein Lokaloszillator, einen Sendeverstärker, einen Up/Downkonverter,
usw. zur Aufbereitung der Sende- und Empfangssignale besitzt. Um Kosten
und Platz einzusparen, werden allerdings bei der VSAT-Einheit wichtige
Bauteile meist zusammengelegt.
Abbildung 10: VSAT-Sende- und Empfangseinheit von der Firma SSE
Auf der Empfangsseite bilden der Empfangsverstärker, der Lokaloszillator und das LNA oft ein Element, das LNB, so daß am Ausgang bereits ein 100 MHz - 3,2 GHz breites Signal einer Polarisationsebene im L-Band abgegriffen werden kann. Dieses wird dann, je nach Anforderung an das gewünschte Frequenzband, einem Downkonverter oder direkt dem Empfangsgerät über Koaxialkabel zugeführt. Die notwendige Speisespannung für das LNB wird meist über das Koaxialkabel in Gleichspannung (zwischen 12 Volt und 30 Volt) angelegt.
Die Sendeeinheit bildet oft ein kompaktes System, in welches das von der Basisbandeinheit modulierte 70-MHz-Signal eingespeist wird. Am Ausgang liegt folgende die sendefertige und verstärkte 14-GHz-Informationsfolge an. Die Verstärkung erfolgt hierbei durch einen SSPA-Verstärker (Solid State Power Amplifier, dies ist ein 14-GHz-HEMT-Transistorverstärker). Die Abmessung eines solchen Geräts betragen, mit Kühlrippen oft nicht mehr als 40 cm x 30 cm x 20 cm (L x B x H) bei etwa 20 kg Gewicht.
Das Sendesignal wird dann über einen kurzen Hohlleiter dem TX-Feed
zugeführt. Die Sendeeinheit selbst wird über ein extern anschließbares
Handheldgerät programmiert und kann so, z.B. wie beim Einmessen der
Satellitenstrecke erforderlich, reguliert werden. Parallel zur reinen Sendeeinheit
sind auch SSPA-Boxen erhältlich, die einen programmierbaren Downkonverter
zur RX-Signalaufbereitung beinhaltet haben.
2.3.1.2.2. Leistungen
Die technischen Sende- und Empfangsleistungen eines 2-Watt-VSAT-Systems mit einem 1,2 Meter großen Offsetreflektor möchte ich im folgenden Abschnitt kurz beschreiben.
TX-Baugruppe:
Eingangsmittenfrequenz: 70 MHz
Mögliche Bandbreite des Eingangssignals: 36 MHz
Eingangsleistung: -30 dBm
Maximale Ausgangsleistung: 3 dBW
Maximale Verstärkung: 63 dB
Ausgangsfrequenzbereich: 14,0 GHz-14,5 GHz
Reflektorgewinn bei 14,25 GHz: 44,1 dBi
Innerhalb des Zwischenfrequenzbereichs von 70 MHz haben die Signale eine mögliche Bandbreite von 36 MHz. Dies erscheint aufgrund der geringen EIRP-Sendeleistung von 47 dBW für 36 MHz recht gering, ist aber mehr als ausreichend für den Rückkanalverkehr in der CDMA-SpreadSpektrum-Technologie. Die Signaleingangsleistung wurde bei den meisten Sendesystemen mit -30 dBm für 70 MHz-Signale gewählt. Der Grund dieser Beschränkung liegt in der Arbeitspunktansteuerung der Verstärkereinheit. Maximal mögliche Ausgangsleistungen für SSPA-Transistorverstärker für Remotestationen, die im preislichen Rahmen für VSAT-Stationen verfügbar sind, liegen momentan zwischen -3 dBW und +9 dBW. Der hohe Gewinn der Verstärkung (> 90 dB) kann natürlich nicht durch eine Stufe erreicht werden, vielmehr wird durch den Upkonverter bereits eine Verstärkung von 30 dB erzielt. Die restlichen 60 dB werden mehrstufig im SSPA erreicht. International üblich für Uplinkverkehr ist der Frequenzbereich zwischen 14,0 GHz und 14,5 GHz; dieses Frequenzband wird von allen Satellitenbetreibern für FSS-Dienste im engeren Sinne genutzt. Der Gewinn eines 1,2 Meter großen Reflektors liegt, je nach Güte der Antenne, zwischen 42 dBi und 44,5 dBi.
RX-Baugruppe:
Eingangsfrequenzband: 10,7 GHz-12,75 GHz
Reflektorgewinn bei 12 GHz: 43,5 dBi
Mögliche Bandbreite des Eingangssignals: 1,2 GHz
Eingangsleistung: im pW-Bereich
Ausgansleistungbereich: im µW-Bereich
Maximale Verstärkung: 50 dB-60 dB
Ausgangsfrequenzbereich: L-Band
Für die Signale, die von der Remotestation aufgefangen werden, gelten nun die gleichen Voraussetzungen wie für die Erdfunkstelle, so daß mit dem Antennenreflektor und nachgeschaltenem rauscharmen Verstärker die Signalenergie angehoben werden muß. Dabei liegen die Werte dieser Bauteile im Vergleich mit der Hauptstation aber deutlich niedriger. Die elektronische Verstärkung erfolgt hier in einem LNB, in dem ebenfalls HEMT-Transistoren unter rauscharmen Bedingungen (für das Ku-Band etwa F = 0,6 dB - 0,8 dB) arbeiten und anschließend das Empfangsband in Abhängigkeit von der Lokaloszillatorfrequenz in das L-Band zwischen maximal 950 MHz und 2,15 GHz umsetzen. Typische Lokaloszillatorfrequenzen sind 9,75 GHz, 10,0 GHz, 10,6 GHz, 10,75 GHz, 11,3 GHz und 11,45 GHz. Einen Downkonverter für L-Band/70 MHz kann man noch optional anschließen, falls die Systemkonfiguration dies benötigt.
Mit dem Wort "Raumsegment" wird in der Satellitenkommunikation der Satellit mit den Transpondern, der Satellitenorbit sowie die Konfiguration der Sende- und Empfangsbereiche bezeichnet. Das Raumsegment ist dabei als kritisch zu betrachten, da die Satelliten nach der In-Orbit-Installation nur schwer oder, nach dem heutigen Stand der Raketentechnik, nicht mehr zu erreichen sind. Alle Systeme müssen daher technisch am Boden bereits so konfiguriert oder vorbereitet werden, wie diese im Betriebszustand auch genutzt werden sollen. Einen Überblick zu diesen Parametern, welche für die Satellitenkommunikation im Allgemeinen wichtig sind, werde ich im folgenden Abschnitt geben.
Die Umlaufbahnen der Satelliten um die Erde beschreiben gemäß der Gesetze von Kepler eine elliptische Bahn, wobei der Mittelpunkt der Erde in einem Fokalpunkt der Orbitalellipse zu finden ist. Dabei unterscheiden sich die verschiedenen Umlaufbahnen insbesondere in der Orbithöhe, in der Neigung der Ebene gegenüber dem Äquator und in der Exzentrizität. Im folgenden Bereich werde ich die unterschiedlichen Umlaufbahntypen von Telekommunikationssatelliten und deren technische Bedeutung erklären.
Satelliten in den "Low Earth Orbits" (LEO) befinden sich in einer durchschnittlichen Höhe von 160 km bis 800 km über der Erdoberfläche. Mit einer Umlaufzeit um die Erde von etwa 100 Minuten befinden sich die Satelliten nicht an einem festen Punkt am Himmel, vielmehr besitzen Sie eine hohe Geschwindigkeit über Grund. Ausgehend von einem maximalen Beobachtungswinkel von etwa 10°, befinden sich die Satelliten nur wenige Minuten im Zugriffsbereich.
Zum Empfang- bzw. Sendebetrieb über diese Satelliten, je nach dem entsprechenden Linkbudget des Systems unterschiedlich, können daher nur Antennen eingesetzt werden, die entweder omnidirektional oder mit Nachführeinrichtungen arbeiten. Für längere Datenübertragungen müssen zudem mehrere Satelliten zur Verfügung stehen, die die Hardwaremöglichkeit zur Weitergabe der Telekommunikationsverbindungen an weitere Satelliten ermöglichen. Dies wird notwendig um eine konstante Verbindung über das LEO-Satellitensystem zu gewährleisten.
Diese Möglichkeit wird z.B. bei dem neuen Satellitensystem "Iridium" für weltweite, satellitengestützte Telefonie verwendet. Durch weltweite Verfügbarkeit, mit Ausnahme der Polkappen, können über das Iridium-System mit einheitlichen Geräten auf annähernd der gesamten Erdkugel Telefonieverbindungen hergestellt werden. Dies ist z.B. bei den bekannten GSM-Techniken durch unterschiedliche Nutzfrequenzbereiche in den USA, Asien oder Europa nur technisch aufwendig möglich sowie auf den Weltmeeren gänzlich unmöglich.
Durch die Nähe der LEO-Satelliten zur Erde müssen diese Systeme
mit starken Einflüssen auf die Umlaufbahn durch die Erde selbst rechnen.
Der wichtigste und einflußreichste Punkt ist die Restatmosphäre
der Erde in dieser Orbithöhe. Diese bremst den Satelliten durch die
Reibung ständig sehr leicht ab. Durch diesen Geschwindigkeitsverlust
verringert sich automatisch nach dem Kepler'schen Gesetz die Orbithöhe
des Satelliten, so daß Treibstoff aufgewendet werden muß, um
den Satelliten in dem vorgegebenen Umlaufbahnbereich zu halten. Der Satellit
würde sonst in die Erdatmosphäre eindringen und verglühen.
Da diese Maßnahmen, die sogenannten Lageregulierungen, sehr aufwendig
im Bezug auf den Treibstoffverbrauch sind (der Treibstoff spielt beim Startgewicht
des Satelliten eine entscheidende Rolle), haben LEO-Satelliten eine nominelle
Lebensdauer von nur drei bis sieben Jahren. Das ist etwa um 60% bis 70%
kürzer als bei geosynchronen Satelliten. Im Kostenbereich kann dies
als Kill-Faktor angesehen werden, wenn eine kommerzielle Anwendung innerhalb
dieser Zeit die Satellitenkosten sich nicht amortisiert.
2.3.2.1.2. MEO
Die "Medium Earth Orbits" liegen in der In-Orbit-Höhe zwischen 1600 km und 20000 km über der Erdoberfläche und befinden sich daher zwischen den LEOs und der geostationären Satellitenbahn. Satelliten auf dieser Umlaufbahnklasse sind demnach auch nicht stationär, sondern wandern, je nach momentaner Orbithöhe in der Geschwindigkeit und nach Inklination des Orbit mit zusätzlichem Nord/Süd-vektoralem Anteil unterschiedlich, in östlicher Richtung. Demnach werden diese Systeme auch zu den umlaufenden Satellitensystemen gezählt und daher weitgehend nur für Daten- und Telefonieverkehr eingesetzt.
Der Aufwand, der zur Einrichtung von Telekommunikationverkehr über MEO-Satelliten notwendig ist, gleicht im Großen und Ganzen den Eigenschaften der LEO-Systeme. Einige kleinere Unterschiede sind hier bemerkenswert, die die Vor- und Nachteile gegenüber den LEOs beschreiben. Diese gehen fast ausschließlich auf die unterschiedliche Orbitlage und die daraus resultierenden Eigenschaften zurück.
MEO-Satellitensysteme haben, wie bereits erwähnt, eine größere Umlaufbahnhöhe. Ihre Umlaufzeit beträgt bei z.B. zehn Umdrehungen pro Tag, das entspricht einer mittleren Orbithöhe von 3500 km, etwa 2,5 Grad pro Minute. Diese Zeit ist deutlich geringer als diejenige von LEO-Satelliten. Weiterhin besitzen diese Satelliten durch die größere Orbithöhe eine weitaus größere sichtbare Ausleuchtzonenfläche auf der Erde, so daß die Satelliten der MEO-System länger pro Station nutzbar sind.
Im Vergleich zu den LEO-Satelliten muß bei den MEO-Systemen durch die größere Höhe der Satellitenumlaufbahnen mit höheren Laufzeiten der Telekommunikationsanwendungen gerechnet werden. Im Vergleich zu den geosynchronen Satelliten in 35786 km Höhe haben die MEO-Systeme aber nur eine bidirektionale Laufzeit von einigen zehn Millisekunden, so daß eine zusätzliche Echokontrolle oder Maßnahmen zur Qualitätsicherung aufgrund der Laufzeit noch nicht erforderlich sind.
Weiterhin erleiden MEO-Satelliten, im Vergleich zu den LEO-Systemen,
eine geringere Beeinflussung durch die Restatmosphäre der Erde. Die
Lageregulierung ist, auch aufgrund des geringeren Kreiseleffekts durch
die niedrigere Bahngeschwindigkeit, somit nicht mehr so aufwendig, d.h.
die Lebensdauer wäre bei gleicher Treibstoffmenge an Bord signifikant
höher. Diese Tatsache wird aber durch das geringere mögliche
Startgewicht der Satelliten wieder zunichte gemacht. Die heutigen Raketen
sind für die Installation eines einzigen Satelliten zu kostspielig
und viel zu leistungsfähig, d.h. es werden für LEO- und MEO-Systeme
häufig mit einem Start zwei bis zwölf Satelliten in ihre geplante
Umlaufbahn gebracht. Daher wird ein Kompromiß gesucht, der die Leistungsfähigkeit
der Rakete, die Kosten für den Start pro Satellit, die vorgegebene
zu erreichende Orbithöhe und das mögliche maximale Startgewicht
beinhaltet. Im Gegensatz zu den LEO-Satelliten bedeutet dies eine geringere
Anzahl von Satelliten pro Start und dadurch höhere Kosten oder eine
Höchstzahl von Satelliten an Bord einer Startrakete bei geringerem
Treibstoffanteil.
2.3.2.1.3. GEO
Die wichtigste Umlaufbahn von Satelliten für Telekommunikationssysteme befindet sich in einer Höhe von 35786 km über der Erdoberfläche. Hier bewegen sich alle Satelliten mit einer Geschwindigkeit von etwa 1,00275 Erdumkreisungen pro Tag und können so, wenn die Orbitparameter dieses Satelliten eine Exzentrizität kleiner 10-4 und eine Inklination nahe null Grad aufweisen, von den Bodenstationen als festen Punkt im Himmel lokalisiert werden. Es werden also keine Nachführungseinrichtungen bei kleinen Sende- und Empfangsantennen benötigt.
Der weitaus größte Teil der weltweiten Telekommunikation über Satellit wird daher über GEO-Satelliten durchgeführt, da die Empfangsstationen so bei Normbedingungen über die Satellitenkapazität verfügen können. Daher werden hierbei keine Satellitensysteme benötigt, die eine ständige Verfügbarkeit des Kommunikationservices bereitstellen; vielmehr kann dies durch einen einzelnen Satelliten bewerkstelligt werden.
Diese äußerst wertvollen Eigenschaften werden allerdings durch einige Nachteile erkauft, die insbesondere beim Start eines Satelliten an Bord einer Rakete sichtbar werden. Geostationäre Satelliten haben heute in Abhängigkeit vom gewählten Startraketensystem ein maximales Startgewicht von etwa zwei bis sechs Tonnen, wo bei zwischen einer Tonne und 4500 kg auf den Treibstoff an Bord des Satelliten entfallen.
Beim Start, z.B. an Bord einer europäischen Ariane-Rakete, wird der Satellit nach einer Flugzeit von etwa 20 Minuten auf einen geostationären Transferorbit geschossen, d.h. der Satellit muß eine Geschwindigkeit von etwa zehn km/s bei der Trennung von der Rakete besitzen, um antriebslos nach den keplerianischen Gesetzen in einer elliptischen Umlaufbahn am erdfernsten Punkt die Höhe des geostationären Orbit bei einer Geschwindigkeit von etwa 1,8 km/s zu erreichen. Dort muß der Satellit mehrmals nacheinander einen bordeigenen Satellitenmotor zünden, um die notwendige Bahngeschwindigkeit von etwas mehr als drei km/s auf der geostationären Umlaufbahn zu erzielen. Zudem muß der Satellit noch eigenständig die Inklination der Umlaufbahn, die nach dem Orbiteinschuß ohne Korrektur des Transferorbits größer oder annähend gleich der geographischen Breite des Startortes ist, auf null Grad gegenüber der äquatorialen Ebene reduzieren. Dies ist aufgrund der keplerianischen Gesetze (Massenmittelpunkt der Umlaufbahn) zu beweisen.
Bei annähernd allen Raketentypen auf der Erde, eine Ausnahme bildet hier die vierstufige Variante der russischen Proton-Rakete bis zu einem Startgewicht von 2900 kg, wird eine solche Installation des Satelliten vorgenommen. Dies bedeutet, daß bei der Installation eines neuen geostationären Satelliten etwa 30% des Treibstoffs an Bord des Satelliten bereits für die Positionierung des Satelliten verbraucht werden müssen. Vorteile ergeben sich bei Startorten mit geringer geographischen Breite. Daher haben Satelliten, die in Kourou/frz.Guiana (3,9° Nord) mit der Ariane-Rakete oder zukünftig mit der ukrainischen Zenith-Rakete von SeaLaunch aus gestartet werden, gegenüber den amerikanischen und anderen Raketensystemen durch die Treibstoffersparnis eine längere Lebensdauer.
Im Gegensatz zu den LEO-Satellitensystemen können geostationäre Satelliten nicht mehr durch Wartungsflüge oder Raumschiffe, wie z.B. das amerikanische SpaceShuttle, nach dem heutigen Stand der Technik erreicht werden. Dies bedeutet, daß es für die Betreibergesllschaft des Satelliten in dem Fall einer Betriebsstörung keine Möglichkeit mehr gibt, eine Reparatur durchzuführen. GEO-Satelliten sind daher auf der Betriebsposition, und im Transferorbit wegen der hohen Bahngeschwindigkeit am Perigäum, für Wartungsarbeiten nicht mehr zu erreichen.
Die äußeren Einwirkungen auf Satelliten im geostationären Orbit sind zum größten Teil andere als jene, die für die Satellitensystem im MEO oder LEO gelten. Die Restatmosphäre besteht in dieser Höhe oberhalb der Erdoberfläche hauptsächlich aus vereinzelt auftretenden ionisierten Wasserstoffatomen, d.h. freien Protonen. Sie kann daher fast vernachlässigt werden, besonders im Vergleich mit den anderen Kräften, die an diesen Satelliten angreifen. Hierbei sind besonders drei Punkte zu nennen, die auf die Lage erheblichen Einfluß haben.
Zum einen wird der Satellit zur den Ort der Betriebsposition und dem unterschiedlichen Gravitationsfeld auf der Erde beeinflußt. So kann z.B. auf den Positionen, die dem Himalaya-Gebirge am nächsten sind, eine höhere Erdanziehung registriert werden als über einem Ozean. Dies hat zur Folge, daß sich eine Änderung des Gravitationsvektors von der Vertikalen zum Erdmittelpunkt ergibt, so daß eine automatische Drift in westlicher bzw. östlicher Richtung des Satelliten zu diesem Punkt erfolgt.
Zum weiteren hat der von der Sonne abgestrahlter Partikelstrom, der sogenannte Sonnenwind, Einfluß auf die Lage des Satellitenorbits. Dabei wirkt eine Kraft auf den Satelliten, da im Weltraum ja dieser Teilchenstrom durch die fehlende Atmosphäre und das bereits in dieser Höhe geringere Magnetfeld der Erde ungebremst einwirken kann. Diese Einwirkung macht sich in der Änderung der Exzentrizität des Satellitenorbits bemerkbar.
Zum dritten bewirkt das Zusammenspiel zwischen Erde, Mond, Sonne und den Planeten eine Gravitationskraft auf den Satelliten. Diese ist eine der größten angreifenden Kräfte, die besonders durch die Inklination der Erdpolarachse (etwa 23 Grad vom Normalenvektor der Ebene Sonne und Erdumlaufbahn) begünstigt wird. Diese Kraft, die einmal größer und einmal kleiner in Abhängigkeit von der Konstellation sein kann, bewirkt vor allem eine kontinuierliche Änderung der Inklination des Satellitenorbits aus der Äquatorialebene heraus. Diese Lageänderung erreicht Werte, die im jährlichen Rahmen etwa 0,7 Grad bis 0,9 Grad betragen können.
Die Durchführung der Lageregulierung der geostationären Satelliten kann in zwei verschiedene Klassen eingeordnet werden. Der Treibstoffaufwand ist dabei sehr unterschiedlich. Zur Exzentrizitätskontrolle sowie zu Ost/West-Korrekturen ist nur ein geringer Treibstoffaufwand von etwa 80 Gramm erforderlich. Dabei werden die Raketenmotoren gezündet, die den Abstand von der Erde bzw. die Bahngeschwindigkeit auf der Umlaufbahn verändern. Nimmt man ein Orbitalfester im Bereich von 0,02 Grad als Bezugspunkt, muß aufgrund der geographischen Lage der europäischen Satelliten etwa alle drei Wochen eine dieser Korrekturen durchgeführt werden.
Die Inklinationskontrolle ist dabei weitaus problematischer. Diese Lagekorrektur muß etwa alle acht bis zehn Tage durchgeführt werden um innerhalb der vorgegebenen 0,01 Grad für die Nord/Süd-Stabilisierung zu bleiben. Pro Zündung werden dabei knapp 900 Gramm Treibstoff verbraucht. Diese große Menge an Treibstoff ist aufgrund des sogenannten Kreiseleffekts notwendig. Dieser beschreibt die Selbststabilisierung eines Körpers auf einer sich drehenden Ebene gegenüber der Drehachse. Daher ist eine große Kraft notwendig um diese Ebene zu korrigieren.
Zum Lebensende eines geostationären Satelliten wird die Inklinationskontrolle meist abgeschaltet. Dies erfolgt bei einer Treibstoffreserve, die oft im Bereich von zehn Kilogramm oder darunter liegt. Folgend befindet sich der Satellit nicht mehr in einem geostationären, aber aufgrund der weiter kontrollierten Ost/West-Lageregulierung in einem geosynchronen Orbit. Die Inklination des nun geosynchronen Satelliten wächst nun stetig an, so daß es von einem bestimmten Punkt an erforderlich ist, die Satellitenantenne mit Aktuatoren nachzuführen. Dies entscheidet primär die Halbwertsbreite der Antenne, die direkt abhängig von der Größe der Antenne ist. Einen Monat ohne Inklinationskontrolle verlängert das Satellitenleben um etwa drei Jahre.
In diesem Kapitel möchte ich auf die eigentliche Zusammensetzung eines Satelliten eingehen. Als Beispiel wähle ich hier den Aufbau eines geostationären Satelliten vom Bautyp "INTELSAT VII". Diese Satellitenreihe beschreibt einen neueren Satellitentyp, welcher zwischen 1994 und 1997 gestartet worden ist. Acht dieser Satelliten befinden sich momentan auf den Positionen 177° Ost, 174° Ost, 66° Ost,57° Ost, 1° West, 18° West, 50° West und 53° West in Betrieb und versorgen die internationalen Signatare von INTELSAT mit Telekommunikationsdiensten.
Der Aufbau eines Satelliten kann in drei Einheiten unterteilt werden, die unterschiedliche Aufgaben ausführen. Diese sind die Systemkontrolleinheit, die Telekommunikationsnutzlast und die elektrische Energieversorgung. Die Systemkontrolleinheit sendet über TT&C-Signal den Status des Satelliten an die Erdstation und empfängt Steuerkommandos von der Satellitenbetreiberorganisation, z.B. zur Zündung der bordeigenen Raketen, um eine Lageänderung durchzuführen. Die Telekommunikationsnutzlast ist die Hardware, die den Empfang, die Umsetzung und Verstärkung der ankommenden Signale von der Erde sowie die Wiederausstrahlung durchführt. Die Energieversorgung an Bord eines Satelliten wird durch die Solargeneratoren und die bordeigenen Batterien durchgeführt.
Abbildung 11: Aufbau eines INTELSAT-VII-Satelliten
Die Basiseinheit eines Satelliten wird vom Satellitenbus gebildet, der die Rohbaustruktur für alle Untersysteme des Satelliten darstellt. In diesem Glasfaser verstärkte Kunststoffskelett werden die Teile eingebaut. Die Belastbarkeit dieses Spezialkunststoffes übersteigt dabei die Zähigkeit von Stahl.
Die Systemkontrolleinheit des Satelliten umfaßt als Hauptbestandteil den satelliteneigenen Bordcomputer, der die Daten der bordeigenen Sensoren, z.B. Lageregulierung, Ladezustand der Antennen, Transponderschaltungen, Nutzlastzustand, Temperatur, etc. , einliest. Diese werden folgend über eine der Satellitenbaken mit einer geringen Datenrate an das Satellitenkontrollzentrum der Betreiberorganisation zur Statusabfrage und -kontrolle ausgestrahlt. Im Gegenzug werden Signale aus diesem Zentrum zur internen Steuerung des Satelliten und zu Abfrage von speziellen Daten an den Satelliten geschickt. Im Gegensatz zu der Telekommunikationsnutzlast bleibt diese Kommunikationsverbindung während des gesamten Satellitenlebens aktiv und ist hoch redundant ausgelegt.
Eine zweite Hauptaufgabe der Systemkontrolle wird durch die Lageregulierung des Satelliten wahrgenommen. Hierzu verfügt der Satellit über zwei Sensoren, die die Lage der Erde bzw. der Sonne relativ zur Satellitenattitüde bestimmen und über vier Raketenmotoren mit geringer Leistung sowie zwei mit mittlerer Schubkraft. Der Apogäumsmotor, der zum Bahneinschuß des Satelliten benötigt wird, hat im geostationären Orbit keine Aufgabe mehr und wird durch pyrotechnische Ventile von der Treibstoffzufuhr abgeschnitten.
Der Erdsensor ist ein infrarotempfindliches Bauelement, welches die
höchste Sensibilität bei etwa T0= 290 K besitzt. Bei
diesem Wert
wird die Erde im Infrarotbild als Vollscheibe gesehen. Die Relation
Satellit-Erde wird ständig vom Satelliten, aufgrund der Notwendigkeit
der korrekten Ausrichtung der Satellitenantennen auf die Erdoberfläche,
überprüft.
Der Sonnensensor ist ebenfalls ein photoempfindliches Element, die Empfangstemperatur liegt aber hierbei in einer Größenordnung von 6000 K. Diese Rauschtemperatur, zu vergleichen mit einem schwarzen Strahler dieser Temperatur, wird von der Sonne emitiert. Der Sonnensensor erfüllt für den Satelliten zwei Funktionen. Zum einen werden mit Hilfe dieser Daten, um eine maximale Energieausbeute zu erzielen, die Solargeneratoren dem Stand der Sonne angepaßt. Zum anderen positioniert sich der Satellit im Fall eines Problems an Bord automatisch mit dem Sonnensensor zur Sonne hin. Satelliten sind so konstruiert, daß der Einfluß der Sonne durch Licht und Hitze bei der Positionierung oder in einem Problemfall, am geringsten ist, wenn der Sonnensensor direkt auf diese zeigt. Ein Beispiel für diese selbsttätige Rettungsmaßnahme des Satelliten war ein Computerfehler an Bord von DFS KOPERNIKUS 1 im Januar 1991. Die Techniker konnten daraufhin über das Bakensignal, welches dann noch als einziges aktiv bleibt, das Problem sicher lösen und den Satelliten innerhalb einer Woche wieder in Betrieb nehmen.
Die Telekommunikationsnutzlast bildet das eigentliche Herzstück und für die kommerziellen Verbindungen das wichtige Teil des Satelliten. Die Nutzlast besteht dabei aus den verschiedenen Antennensystemen, dem Empfangszweig, der Frequenzumsetzung, der Transpondersteuerung und den Verstärkern.
Die Antennen haben bei geostationären Satelliten grundsätzlich zwei verschiedene Bauformen; beide Typen wurden bei INTELSAT VII implementiert. Die C-Band-Hornantennen für den Globalbeam des Satelliten bestehen nur aus einem hornförmig verlängerten offenen Hohlleiter, der einen Öffnungswinkel von 17,4° beschreibt. Dieser Wert entspricht dem sichtbaren Winkel der Erdkugel von einem geostationären Satelliten aus. Für den Globalbeam werden Hornantennen verwendet, da Reflektoren aufgrund der geringeren Halbwertsbreite keine globale Abdeckung ermöglichen.
Die weiteren sechs Reflektorsysteme bilden nun die restliche C-Band- und Ku-Band-Abdeckung des Satelliten. Für die Hemisphären- und Zonenausstahlungen im C-Band werden die beiden großen Antennen verwendet, die über ein programmierbares Vielfachfeedsystem, welches phasengleich gespeist wird, angesteuert werden. So können alle INTELSAT VII-Satelliten auf den unterschiedlichsten Positionen spezielle Regionen versorgen und andere ausklammern. Ein Reflektor fungiert hierbei als reine RX-Antenne, der andere sendet ausschließlich. Für hohe EIRP-Werte im C-Band ist der Satellit zusätzlich mit einer C-Band-Spotbeamantenne ausgestattet. Hiermit können z.B. DTH-Programme in Länder mit starkem Regenaufkommen (Tropen) auf relativ kleine RX-Empfangssysteme auf der Erde übertragen werden. C-Band-Signale werden über INTELSAT-Satelliten grundsätzlich in zwei orthogonalen zirkularen Polarisationen, linksdrehend und rechtsdrehend, ausgestrahlt.
Für das Ku-Band besitzt ein INTELSAT VII-Satellit drei über die gesamte Erdoberfläche drehbare Spotbeamantennen, die die Signale in zwei orthogonalen linearen Polarisationen, horizontal und vertikal, abstrahlen. Die bevorzugten Bereiche auf der Erde, die für eine Ku-Band-Abdeckung ausgewählt werden, liegen zwischen den Polkappen und südlich bzw. nördlich des 30. Breitengrades. In diesen Bereichen sind die Regenmengen im Vergleich zu der Verfügbarkeit der Ku-Band-Kanäle vertretbar. Die Länder mit Intelsat Ku-Bandversorgung sind Nordamerika, Europa, Südafrika, Argentinien, Rußland und Kasachstan, Japan und Korea sowie Australien mit Neuseeland.
Diese kompletten Antennensysteme werden bei INTELSAT VII von insgesamt 28 C-Band-Transpondern und 10 Ku-Band-Transpondern gespeist. Der Sendebereich für das C-Band liegt dabei zwischen 3,6 GHz und 4,2 GHz und für den Empfangsbereich des Satelliten zwischen 5,85 GHz und 6,45 GHz. Im Ku-Band wird für den Uplink das Normfreuquenzband zwischen 14,0 GHz und 14,5 GHz verwendet. Der Ku-Band-Downlink hingegen wird, je nach Zielregion verschieden, auf die Empfangsbereiche 10.95 GHz bis 11.20 GHz, 11.45 GHz bis 11.70 GHz, 11.70 GHz bis 11.95 GHz und 12.50 GHz bis 12.75 GHz durch unterschiedliche Lokaloszillatoren bei der Frequenzumsetzung blockweise aufgeteilt. Die Strahlungsleistung beträgt für die C-Band-Transponder maximal zwischen 29 dBW und 36 dBW, die Ku-Band-Übertragungskanäle können maximal 47 dBW im Zentrum der Ausleuchtzone erzeugen.
INTELSAT hat auf allen Satelliten seit der Serie V die Transponder in transparenter CrossLink-Schaltung, so daß über TT&C-Signale z.B. ein Transponder, der ein Signal aus Europa im 14-GHz-Bereich empfängt, für den Downlink in das C-Band geschaltet werden kann. So können diese Informationen z.B. störungsfrei in Brasilien im C-Band empfangen werden. Diese Technik ist sehr wohl auch umgekehrt möglich, beschränkt wird dies allerdings auf die Notwendigkeit der Umschaltung eines ganzen Transponders.
Zum Betrieb dieser Telekommunikationsnutzlast wird eine Energieversorgung an Bord eines Satelliten benötigt. Die nominelle Versorgung mit Energie erfolgt, wie bei den meisten Satelliten ebenfalls, durch Solargeneratoren, die nach dem Start entfaltet werden. Bei INTELSAT VII wurden diese aus GaAs-Halbleitern gefertigt und erzeugen im Weltraum eine Leistung von etwa 5,4 kW in Gleichspannung. In einem Zeitrahmen von 40 Tagen um den Frühlings- und Herbstanfang können die Satelliten allgemein für maximal 75 Minuten das Sonnenlicht als Energiequelle nicht verwenden, da der geostationäre Orbit für diese Zeit durch den Erdschatten verläuft. Um keinen Ausfall an Transpondern für die Zeit der Eklipse zu erleiden, haben moderne Satelliten, so auch INTELSAT VII, wiederaufladbare Akkumulatoren an Bord. Diese liefern die entsprechende Leistung für diese Zeit, so daß kein Transponder eine Leistungseinschränung erleidet. In den restlichen 22 Stunden werden die Batterien wieder aufgeladen, so daß sie am folgenden Tag wieder die maximal mögliche Spannung bereitstellen können. Die einzelnen Batteriezellen wurden bei INTELSAT VII aus Nickel-Wasserstoff-Elementen in Kaliumhydroxid-Lösung zusammengesetzt. Ein Element erzeugt demnach 1,30 Volt Gleichspannung.
Abbildung 12: Batterienmodul eines INTELSAT-VII-Satelliten
2.3.3.2. Footprint
Der Footprint eines Satelliten beschreibt den technischen Versorgungsbereich,
d.h. die Ausleuchtzone, des Satelliten. Der Footprint wird dabei hauptsächlich
von der Konfiguration der Satellitennutzlast in Form von Feedhörnern
und Antennenreflektoren bestimmt. Bei den meisten Satelliten ist dabei
der Sende- und Empfangsfootprint gleich, dies muß aber nicht sein.
So kann z.B. der Uplink zum Satelliten in einem Bereich erfolgen, in dem
das Signal nicht zurückempfangen werden kann oder umgekehrt. Folgend
werde ich die beiden unterschiedlichen Footprintkurven darstellen, interpretieren
und C/N-Berechnungen aus den angegebenen Daten zur Ausstrahlung eines 36
MHz breiten Trägers angeben.
Der Empfang am Satelliten von einer zu Satelliten sendenden Erdstation
erfolgt innerhalb einer sogenannten G/T-Zone. Diese Zone, sie wird beim
Betrieb eines Satellitenlinks gewöhnlicherweise für den entsprechenden
Satellitentransponder herausgegeben, bildet einen Bereich auf einer geographischen
Karte, die den Gewinn der Antenne über der von der Erde empfangenen
Rauschtemperatur beschreibt. Der G/T-Wert ist somit primär von dem
lokalen Punkt, von dem man eine Erdstation betreiben möchte, abhängig.
Abbildung 13: G/T-Footprint für EUTELSAT II-F3 (36° Ost),
Transponder 21
Eine Berechnung des G/T-Werts ist beim Normalbetrieb einer Satellitenstrecke heute nicht mehr notwendig, da dieser Wert direkt aus der vorgegebenen, vom Satellitenbetreiber bereitgestellten Karte, in das Linkbudget eingeht. Der G/T-Wert ist dabei das entscheidende Kriterium mit welcher EIRP-Sendeleistung die Erdstation zum Satelliten senden muß, um den gewünschten C/N-Wert des Uplinks im Satellitenempfangsweg zu erreichen. Zur Veranschaulichung möchte ich die G/T-Formel und die daraus resultierende C/NUplink-Formel angeben:
(G / T)Satellite = (GRmax / LR)Satellite (1 / LFRx)Satellite (1 / T)Satellite;
mit
(G / T)Satellite = Verhältnis zwischen Gewinn und Rauschtemperatur
des Empfangssystems des Satelliten
GRmax = Maximaler Gewinn der Satellitenantenne
LR = Antenennengewinnverlust zwischen dem Ort der Erdstation
und dem projektiertem Ort von GRmax.
LFRx = Verlust im Feedsystem des Satelliten
TSatellite = Empfangene Gesamtrauschtemperatur des Satelliten
Beispiel:
GRmax = 40 dBi
LR = 2,5 dB
LFRx = 1,1 dB
TSatellite = 827 K = 29,17 dB
Mit:
TA = Von außen einwirkendes Rauschen = TErde
= 290 K
LFRx = Verlust im Feed: LFRx = 1,1 dB
TF = Feedrauschtemperatur: TF = 290 K
F = Rauschzahl des Receivers F = 2,85
T0 = Satellitentemperatur T0 = 290 K
Daraus folgt:
(G / T)Satellite = 40 dB - 2,5 dB - 1,5 dB - 29,17 dB
= +6,83 dB/K.
(C / N0)Uplink = (EIRP)Erdstation (1 / L)Uplink (G / T)Satellite (1 / k);
mit:
(C / N0)Uplink = Träger-zu-Rausch-Energieverhältnis
des Uplinks
(EIRP)Erdstation = Effektive Sendeleistung der Antenne
(1 / L)Uplink = Freiraumverlust des Uplinks
(G / T)Satellite = Verhältnis zwischen Gewinn und Rauschtemperatur
des Empfangssystems des Satelliten
k = Boltzmannkonstante
Beispiel:
(EIRP)Erdstation = 63 dBW = 10 dBW (TWTA)+ 53 dBi (Antenne);
(1 / L)Uplink = 207 dB (für 14 GHz);
(G / T)Satellite = +6,83 dB/K;
k = -228,6 dBW/K Hz;
Daraus folgt:
(C / N0)Uplink = 63 dB - 207 dB + 6,83 dB + 228,6
dB
= 91,43 dBHz;
Bei einer Bandbreite von B = 36 MHz = 75,56 dBHz würde sich in diesem Fall folgendes Carrier-To-Noise-Verhältnis des Uplinks ergeben:
(C / N)Uplink = (C / N0)Uplink (1 /
B )
= 91,43 dB - 75,56 dBHz = 15,87 dB;
Dies bedeutet als Ergebnis, daß es ein indirekt proportionales
Verhältnis zwischen notwendiger EIRPErdstation und (G /
T)Satelliten für den Uplink gibt, um das gleiche Carrier-To-Noise-Verhältnis
im Satelliten zu errreichen. Ein um drei dB höherer
(G / T)Satelliten-Wert im Vergleich zu einer Referenzstation
an einer anderen Stelle, bedeutet eine Reduzierung der EIRPErdstation-Leistung
um drei dB, um den gleichen (C / N)Uplink-Wert zu erreichen.
2.3.3.2.2. Senden vom Satelliten
Die Interpretation der Sendeleistung vom Satelliten erfolgt über die EIRP-Angaben, die ortsbezogen eine ähnliche Karte im Vergleich zu der G/T-Ortsbetimmung ergeben. Zur Berechnung des Downlink-C/N-Werts ist die EIRP-Angabe vom Satelliten, das ist die Leistung der Wanderfeldröhre an Bord des Satelliten multipliziert mit dem Antennengewinn in einer bestimmten Ortsrichtung, sowie der G/T-Wert der empfangenden Erdstation wichtig.
Abbildung 14: EIRP-Footprint von EUTELSAT II-F3 (36° Ost), Transponder
21
Dabei kann der G/T-Wert der Erdstation aufgrund der Vorgaben, z.B. mit
welcher Elevation der Satellit empfangen wird, welches Trackingsystem verwendet
wird, wie groß der maximale Gewinn der Antenne ist, usw., berechnet
werden. Zusammen mit der EIRP-Angabe vom Satelliten ist folgend eine C/N-Berechnung
möglich:
(G / T)Erdstation = (GRmax / LR)Erdstation (1 / LFRx)Erdstation (1 / T)Erdstation;
mit
(G / T)Erdstation = Verhältnis zwischen Gewinn und
Rauschtemperatur des Empfangssystems der Erdstation
GRmax = Maximaler Gewinn der Erdstationsantenne
LR = Antenennengewinnverlust der Positionierungs-genauigkeit
LFRx = Verlust im Feedsystem der Erdstation
TErdstation = Empfangene Gesamtrauschtemperatur der Erdstation
Beispiel:
GRmax = 53 dBi
LR = 1 dB
LFRx = 0,5 dB
TErdstation = 117 K = 20,7 dB/K
Elevation der Antenne > 20°: TSky = 8 K
"Clear Sky"-Conditions: TBoden = 20 K
Außentemperatur 17° C: TF= = 290 K
Die Rauschtemperatur in der Erdstation setzt sich dabei wie folgt zusammen:
TErdstation = TA / LFRx + TF
(1 - 1 / LFRx) + TR;
TErdstation = 117 K = 20,7 dB
Mit:
TA = Von außen einwirkendes Rauschen = TSky
+ TBoden = 28 K
LFRx = Verlust im Feed: LFRx = 0,5 dB
TF = Feedtemperatur: TF = 290 K
TR = Rauschtemperatur der Empfängers: TR
= 60 K
Daraus folgt:
(G / T)Erdstation = 53 dB - 1 dB - 0,5 dB - 20,7 dB
= +30,8 dB/K.
Carrier-to-Noise-Berechnung:
(C / N0)Downlink = (EIRP)Satellit (1 / L)Downlink (G / T)Erdstation (1 / k);
mit:
(C / N0)Downlink = Träger-zu-Rausch-Energieverhältnis
des Downlinks
(EIRP)Satellit = Effektive Sendeleistung des Satelliten
(1 / L)Downlink = Freiraumverlust des Downlinks
(G / T)Erdstation = Verhältnis zwischen Gewinn und
Rauschtemperatur des Empfangssystems der Erdstation
k = Boltzmannkonstante
Beispiel:
(EIRP)Satellit = 47 dBW = 12 dBW (TWTA)+ 35 dBi (Antenne);
(1 / L)Downlink = 206 dB (für 12 GHz);
(G / T)Erdstation = +30,8 dB/K (aus der Berechnung zuvor);
k = -228,6 dBW/K Hz;
Daraus folgt:
(C / N0)Downlink = 47 dB - 206 dB + 30,8 dB +228,6
dB
= 100,4 dBHz
Bei einer Bandbreite von B = 36 MHz = 75,56 dBHz würde sich in diesem Fall folgendes Carrier-To-Noise-Verhältnis des Uplinks ergeben:
(C / N)Downlink = (C / N0)Downlink
(1 / B )
= 100,4 dBHz - 75,56 dBHz = 24,84 dB.
Dies bedeutet als Ergebnis, daß es ein indirekt proportionales
Verhältnis zwischen notwendigem (G / T)Erdstation und dem
EIRPSatelliten-Wert für den Downlink gibt, um das gleiche
Carrier-To-Noise-Verhältnis in der Empfangsstation zu errreichen.
Ein um drei dB höherer EIRPSatelliten-Wert im Vergleich
zu einer Referenzstation an einer anderen Stelle, bedeutet eine Reduzierungsmöglichkeit
der (G / T)Erdstation-Güte um drei dB, um den gleichen
(C / N)Downlink-Wert zu erreichen.
Die Freiraumübertragungsstrecke bei Satellitenkommunikation ist eine der längsten kommerziell genutzten Telekommunikationsstrecken überhaupt. Für geostationäre Satelliten können hierfür zwischen 36000 km und 42000 km angegeben werden. Im folgenden Abschnitt werde ich daher auf den hohen Verlust, die unterschiedlichen genutzten Frequenzbänder und deren Verwendung, Störeinflüsse durch Wetter- und Standortbedingungen eingehen sowie das Übertragungsszenario mit der Berechnung des Linkbudgets für eine breitbandige Multimediaübertragung darlegen.
Abbildung 15: Abstand Satellit <=> Erde von geostationären Satelliten
Der Übertragungsverlust der Signale zwischen der Erdstation und dem Satelliten, sowie umgekehrt, ist durch den hohen Abstand zwischen den beiden Telekommunikationsendpunkten sehr hoch. In Abhängigkeit der Länge der Übertragungsstrecke und der genutzten Wellenlänge kann der Verlust Lfs berechnet werden:
Lfs = ( 4 p R / l )² = ( 4 p R0 f / c )² (R / R0 )²;
( R / R0)² = 1 + 0,42 ( 1 - cos F );
cos F = cos l cos L;
Mit:
l = Wellenlänge der ausgestrahlten Frequenz;
c = Lichtgeschwindigkeit (const. = 300 000 000 m/s);
f = genutzte Frequenz;
R = Abstand zwischen dem Satelliten und der Erdstation;
R0 = Höhe des Satelliten über dem Äquator (const. = 35786 km);
l = geographische Breite der Erdstation;
L = Unterschied zwischen der geographischen Länge der Erdstation und der Längenposition des Satelliten;
Wie aus der obigen Formel zu entnehmen ist, besteht die Berechnung des Freiraumverlusts aus zwei Teilen, dem theoretischen Verlust zwischen dem Subsatellitenpunkt über dem Äquator und dem Satelliten sowie der Abweichung aufgrund der unterschiedlichen Position der Erdstation.
Typische Werte sind für den ersten Teil:
f = 4 GHz: 196,0 dB
f = 6 GHz: 199,0 dB.
f = 12 GHz: 205,5 dB
f = 14 GHz: 207,0 dB.
Aus der Abweichung, dem zweiten Teil der Formel, ergibt sich maximal ein Unterschied zwischen 0 dB und 1,3 dB. Obwohl dieser Faktor gegenüber der vorhergehenden Teil vernachlässigbar erscheint, darf diese zusätzliche Dämpfung nicht unterschätzt werden, besonders bei geringen Linkmargins, geringer Elevation bei langen Links sowie bei möglicher starker Dämpfung durch Regen.
2.4.2. Frequenzbänder
Wie schon im vorhergehenden Abschnitt deutlich wurde, hat die genutzte Frequenz einen großen Einfluß auf die Kommunikationsverbindung. Durch die ITU in Genf, die internationale Regulierungs- und Normungsbehörde, wurden Frequenzbänder festgelegt, die für unterschiedliche Nutzungen in der Satellitenkommunikation vorgesehen sind. Im weiteren werde ich auf die Eigenschaften und Koordinierungen der Frequenzbänder eingehen.
Das L-Band liegt in dem Frequenzbereich zwischen 1,4 GHz und 1,7 GHz. Die ITU hat diesen Frequenzbereich an mobile Satellitenkommunikation vergeben. Eine typische Nutzung ist z.B. sie Kommunikation zwischen den geostationären INMARSAT-Satelliten und den mobilen Terminals, z.B. auf Schiffen. Durch die begrenzte Bandbreite und die großen Wellenlänge der L-Band-Frequenzen (etwa 20 cm) können daher nur Schmalbandverbindungen durchgeführt werden. Durch die ionisierte Stratosphäre, die in Abhängigkeit der Stärke dieser Ladung eine Polarisationsdrehung der Satellitensignale verursacht, wird im L-Band mit Zirkularpolarisation gearbeitet. Im L-Band werden z.B. auch meteorologische Daten von den europäischen METEOSAT-Satelliten auf den Positionen 0° West, 9° West und 63,5° Ost übertragen. Für geostationäre Satelliten liegt der Dämpfungswert im L-Band für die Strecke zwischen Erdstation und dem Satelliten bei etwa 184 dB. Eine 1,2 Meter Parabolantenne mit einer Effektivität von h = 0,6 hat etwa 25 dBi Gewinn.
2.4.2.2. S-Band
Das S-Band belegt den Frequenzbereich zwischen 2,4 GHz und 2,6 GHz. Die geostationären Fernmeldesatelliten der indischen INSAT-Familie (Insat 2C, 93,5° Ost) und ARABSAT 1C (55° Ost) nutzen diesen Frequenzbereich für die Übertragung von bis zu drei Fernsehprogrammen. Andere Satellitensysteme verwenden das S-Band für die Übertragung von TT&C-Signalen, wie z.B. der europäische EUTELSAT-Satellit HotBird 2 (13° Ost) oder die beiden deutschen Satelliten KOPERNIKUS auf 23,5° Ost und 28,5° Ost. Ebenso wie im L-Band wird aufgrund der Polarisationsdrehung in der Ionosphäre größtenteils zirkulare Polarisation verwendet, der Effekt ist allerdings gegenüber dem im L-Band nicht mehr so stark. Für geostationäre Satelliten liegt der Dämpfungswert im S-Band für die Strecke zwischen Erdstation und dem Satelliten bei etwa 190 dB. Eine 1,2 Meter Parabolantenne mit einer Effektivität von h = 0,6 hat etwa 28 dBi Gewinn.
2.4.2.3. C-Band
Das C-Band im Bereich zwischen 3,6 GHz und 4,2 GHz im Downlink sowie 5,8 GHz und 6,4 GHz im Uplink ist das klassische Frequenzband für weltweite Satellitenkommunikation. Das C-Band wurde bereits zum Aufbau von Fernmeldeverbindungen durch die ersten Telekommunikationssatelliten INTELSAT 1-F1, SYNCOM 3, etc. verwendet. Durch die günstigen Ausbreitungswerte des Frequenzbereichs kann Satellitentelekommunikation weltweit mit vernünftigem Aufwand betrieben werden. Gegenüber den unteren Frequenzbändern hat das C-Band nur eine geringe Polarisationsdrehung durch die Ionosphäre aufzuweisen, einen kaum höheren Dämpfungswert von 196 dB im Downlink, günstig verfügbare Außen- und Innenelektronik sowie noch keine nennenswerte Beeinflussung von atmosphärischen Bedingungen, wie z.B. Regen. Das C-Band wird daher heute besonders für Satellitenverbindungen in die Bereiche mit starkem Regen (z.B. Tropen) oder für globale Anwendungen durch die höhere Halbwertsbreite der Sendeantennen der Satelliten (gegenüber höheren Bändern) genutzt. Alle INTELSAT-Satelliten sowie überregional operierende Satellitenbetreiber wie ASIASAT, INTERSPUTNIK (mit RADUGA- und GORIZONT-Satelliten) oder PANAMSAT nutzen das C-Band vollständig. Eine 1,2 Meter Parabolantenne mit einer Effektivität von h = 0,6 hat etwa 32 dBi Gewinn.
2.4.2.4. X-Band
Das X-Band hat von der ITU eine Sonderrolle zugewiesen bekommen, hier sind ausschließlich militärische oder staatsautoritäre Nutzungen vorgesehen. Die Nutzungsfrequenzen liegen zwischen 7,2 GHz und 8,4 GHz. Reguläre Telekommunikationsverbindungen für Jedermann werden im X-Band nicht bereitgestellt. Über Satelliten mit X-Band-Transpondern und deren Anwendungen ist daher auch recht wenig bekannt. Die französische Regierung hält z.B. über die X-Band-Übertragungskanäle der nationalen TÉLÉCOM-Satelliten über das SYRACUS-Programm Kontakt zwischen Paris und den französischen SFOR-Einheiten in früheren Jugoslawien. Für geostationäre Satelliten liegt der Dämpfungswert im X-Band für die Strecke zwischen Erdstation und dem Satelliten bei etwa 201 dB. Eine 1,2 Meter Parabolantenne mit einer Effektivität von h = 0,6 hat etwa 38 dBi Gewinn.
2.4.2.5. Ku-Band
Das Ku-Band ist im europäischen Bereich das Satellitenfrequenzband mit der größten Nutzung für Fermelde- und Broadcastservices aller Art. Der Bereich liegt im Downlink zwischen 10,7 GHz und 12,75 GHz sowie für den Uplink zwischen 12,8 GHz und 13,5 GHz sowie zwischen 13,75 GHz und 14,5 GHz bzw. 17,3 GHz und 18,1 GHz. Das Ku-Band wird für Satellitenkommunikation in Europa seit 1978 für Testzwecke (Satellit OTS 2, 10° Ost) und seit 1983 kommerziell (ECS 1, 13° Ost) von geostationären Satelliten genutzt. Die relativ kleine Wellenlänge von etwa 2 cm im Ku-Band stellt einen guten Kompromiß zwischen Antennengewinn und Wetterabhängigkeit dar. Die Antennengewinne liegen etwa bei 43 dBi für 1,2 Meter Antennendurchmesser. Durch die Entwicklung von leistungsfähigen Satelliten (z.B. EUTELSAT W2, ASTRA, INTELSAT 707, etc.) können im gesamten europäischen Bereich bereits TV- und Radioprogramme sowie Multimediaapplikation von Antennen mit 80cm Durchmesser problemlos empfangen werden. Für geostationäre Satelliten liegt der Dämpfungswert im Ku-Band für die Strecke zwischen Erdstation und dem Satelliten bei etwa 207 dB.
Das Ku-Band wurde seitens der ITU eigentlich verschiedenen Nutzungen zugewiesen. Der Bereich zwischen 10,95 GHz und 11,2 GHz sowie 11,45 GHz und 11,7 GHz sowie 12,5 GHz und 12,75 GHz im Downlink sind reinen Fernmeldediensten, wie z.B. der Übertragung von Telefonie, VSAT-Netzwerken, sporadische TV-Übertragungen, etc. vorgesehen. Für reine Broadcastaustrahlungen zu den Endverbrauchern hat die ITU eigentlich den Bereich zwischen 11,7 GHz und 12,5 GHz vorgesehen. Die europäischen Hochleistungs-DBS-Satelliten MARCOPOLO (GB, 31° West), TDF (F, 18,8° West), TV-SAT (D, 19,2° West) und TELE-X (Skandinavien, 5° Ost) wurden speziell hierfür in engeren Sinne mit jeweils fünf Transpondern pro Satellit in den achtziger Jahren entwickelt und im Orbit plaziert. Durch die seit Anfang 1990 durchgeführten Strategie der Kopositionierung von mehreren Satelliten auf einer geostationären Orbitalposition (z.B. ASTRA auf 19,2° Ost und EUTELSAT HOTBIRD auf 13° Ost) wurden jedoch diese Frequenzbandaufteilungen trotz eigentlicher Illegalität nicht mehr beachtet. Heute können auf diesen beiden Positionen auf jeweils über 100 Transpondern zusammen mehrere hundert analoge und digitale TV- bzw. Radioprogramme direkt empfangen werden. Die DBS-Satelliten konnten sich daher nie durchsetzen.
Für den Multimediabereich spielt das Ku-Band heute eine besondere Rolle. Firmen, die heute eine breitbandige Internetverbindung via Satellit kostengünstig anbieten möchten, können momentan nur auf die existierenden Ku-Band-Frequenzen zugreifen. Eine besondere Attraktivität ergibt sich aus der Kombination des gleichzeitigen TV/Radio-Empfangs mit dem gleichen Equipment. Durch die Besetzung der geostationären Umlaufbahn mit vielen verschiedenen Satelliten im Abstand von 3° unter der Ausnutzung des gesamten Ku-Frequenzbands erfolgt allerdings hier eine Sättigung der verfügbaren Transponderkapazität, auch im Bezug auf die kleinen Halbwertsbreiten der verwendbaren kleinen Terminalantennen.
2.4.2.6. Ka-Band
Das Ka-Band wird künftig das Frequenzband für breitbandige Multimediadienste, insbesondere für LEO-Satellitensysteme, werden. Einige Satellitenbetreiberorganisationen, wie z.B. SES Astra, werden 1999 auch geostationäre Satelliten mit Ka-Band-Transpondern für Multimediaservices bereitstellen.
Technisch gesehen bietet das Ka-Band gegenüber dem heute genutzten Ku-Band einen fast gänzlich ungenutzten Frequenzbereich von einigen GHz Bandbreite. Durch die Aufhebung der Registrierungspflicht für Ka-Band-Erdstationen durch die ITU können auch Endkunden mit wenig technischer Erfahrung dieses Frequenzband ohne Lizenz nutzen. Die Ka-Bandfrequenzen liegen im 20-GHz-Bereich für den Downlink und im 30-GHz-Bereich für den Uplink zum Satelliten. Der von der ITU vorgegebene Frequenzbereich liegt zwischen 17.7 GHz und 21.2 GHz für den Downlink sowie zwischen 27.5 GHz und 31 GHz für den Uplink. Dieser Frequenzbereich hat aber keine primär-exclusiv Zuweisung, vielmehr werden diese Frequenzen auch von lokalen terrestrischen Systemen in Richtfunkstrecken genutzt.
Die Durchführung von dauerhaften Telekommunikationsdiensten im Ka-Band gestaltet sich allerdings weitaus schwieriger als im Ku-Band. Grund hierfür sind physikalische Bedingungen aufgrund der Wellenlänge des Ka-Band-Signals, die zwischen einem und zwei Zentimetern liegt.
In der Atmosphäre werden elektromagnetische Wellen bestimmter Frequenzen durch Resonanz mit Molekülen (Wasser, Sauerstoff, Stickstoff, etc.) besonders stark bedämpft. Eine dieser Hauptlinien im Frequenzgang der Atmosphäre ist die Resonanz mit Wasser bei etwa 23 GHz. Hierbei handelt es sich nicht um einen scharf zu begrenzenden Frequenzbereich, vielmehr hat bei diesem Frequenzwert die Dämpfung ihr Maximum. Durch die Nähe des Ka-Bands, besonders im Downlinkbereich, hat diese physikalische Erscheinung einen großen Einfluß auf das Linkbudget der entsprechenden Carrier.
Bei leichtem Regen oder bewölktem Himmel kann die Dämpfung bereits mehr als 10 dB betragen; einem Wert, der bereits bei normalem Antennenaufwand der VSAT-Systeme zu "inoperable conditions" und "loss of carrier" führt. Diese hohe Einbuße an Energie, die im Ku-Band nur bei mächtigen Gewittern oder Schneestürmen auftritt, führt in den Linkbudgetberechnungen zu hohen Verlustmargins, die nur durch höhere effektiv abgestrahlte Leistung wieder ausgeglichen werden können. Wesentlich höhere Investitionskosten sind die Folge, zudem liegen SSPA/TWTA-Verstärker preislich etwa bei 300% bis 1500% der äquivalenten Ku-Band-Geräte. Größere Uplinkantennen, wie z.B. die zentrale Hubstation innerhalb eines VSAT-Netzwerks, sind somit eine Notwendigkeit bei der Nutzung des Ka-Bands.
Trotz dieser widrigen Bedingungen begannen Tests mit Ka-Band-Satelliten in Europa und den USA bereits etwa 1988. In Europa wurde dieses Frequenzband an Bord des Satelliten OLYMPUS getestet und erstmals in den DFS-KOPERNIKUS-Satelliten (Position 23,5° Ost) der Deutschen Telekom AG ab 1989 sowie den ITALSAT-Satelliten (Position 13,2° Ost) der italienischen Telespazio ab 1991 für Telekommunikationsdienste eingesetzt. In den vereinigten Staaten konnte die NASA mit den Forschungssatelliten ACTS (Position 100° West) ab 1994 einige wichtige Erfolge, auch im Bezug auf Breitband-Multimediaservices, im Ka-Band erzielen.
Zukünftig werden besonders die Services der Betreibergesellschaften der LEO-Satellitensysteme ORBCOMM, TELEDESIC und GLOBALSTAR eine oder mehrere Verbindungsstrecken zwischen Satellit und den Erdstationen im Ka-Band abwickeln. Dabei profitieren diese Satellitensysteme vor allem von den besseren Linkmarginbedingungen, die für LEO-Systeme gelten. Hierbei handelt es sich aber ausnahmslos um umlaufende Satelliten, so daß Nachführungseinrichtungen durch die geringe Halbwertsbreite der Ka-Band-Antennenreflektoren zwingend benötigt werden.
2.4.2.7. V-Band
Das V-Band, es liegt noch oberhalb des Ka-Bands zwischen 40 GHz und 60 GHz, wird momentan nur von ITALSAT zu Forschungszwecken genutzt; in der internationalen Satellitenszene hat es aber bereits als weiteres Frequenzband durch die Anfragen nach Positionsregistrierungen bei der ITU Bedeutung erlangt. In diesem Frequenzbereich ist die atmosphärische Dämpfung weiterhin sehr hoch, sie wird durch die Resonanzkennlinie für Sauerstoff bei 60 GHz maximal.
Reale Telekommunikationsservices sind momentan noch nicht für das V-Band geplant, so daß wohl vor Mitte des ersten Jahrzehnts des kommenden Jahrtausends, realistisch gesehen, keine Dienste im V-Band abgewickelt werden.
Das Wetter und der Standort der Satellitenerdstation für Sende- oder Empfangsverkehr, beides im besonderen Bezug auf die Position und Erreichbarkeit des Satelliten in der geographischen Lage, haben für die gewünschte Telekommunikationsverbindung unter Umständen negative Einflüsse, die bei der Kalkulation der Verbindung zu beachten sind. Die wichtigsten Störfaktoren sind dabei die Luftfeuchtigkeit, Regen und der Einfluß von zusätzlichem Rauschen aufgrund geringer Antennenelevation. Im folgenden Abschnitt werde ich diese Punkte darlegen.
Durch die atmosphärischen Bedingungen auf der Erde muß bei der Einrichtung einer Satellitenkommunikationsverbindung damit gerechnet werden, daß die Kommunikationssignale durch Wasserdampf sowie Eiskristalle, d.h. Wolken und Nebel, beeinträchtigt werden.
Solange Wolken oder Eiskristalle in größeren atmosphärischen Höhen die Telekommunikationsstrecke durchstoßen, haben sie aufgrund der geringen Eigentemperatur kaum Einfluß auf das Linkbudget der Verbindung. Größere und dichtere Wolken in diesen Höhen bewirken allerdings eine Drehung der Polarisationsebene, so daß es bei voreingestellten Empfangs- und Sendesystemen zu Interferenzen aufgrund zu geringer Kreuzpolarisierungsdämpfung kommen kann. Dieser Effekt, der bis zu zwei bis drei dB betragen kann, tritt auch bei Regen auf; er kann aber durch andere schwerwiegendere Auswirkungen in diesem Fall vernachlässigt werden.
Wenn Wolken in tiefere Schichten der Atmosphäre anzutreffen sind, können sie sehr wohl Auswirkungen auf die Verbindung haben, da sie wärmer sind und somit eine größere Rauschtemperatur abstrahlen und ggf. das Signal zusätzlich dämpfen. Die kann insbesondere vor Schneefällen und Gewittern beobachtet werden.
2.4.3.2. Regen
Durch Niederschlag in Form von Regen werden vor allem die Telekom-munikationsverbindungen beeinflußt, die oberhalb von 8 GHz durchgeführt werden. In Europa bedeutet dies, daß durch die Nutzung des Ku-Bands jegliche Satellitenverbindung, je nach Linkbudget unterschiedlich, durch Regen beeinflußt werden kann.
Regen wirkt sich dabei zweifach auf das Kommunikationssystem aus. Zum einen dämpft Regen das zu empfangende Signal, so daß diese Signalenergie nicht mehr am Empfänger zur Verfügung steht. Zum anderen emittiert Regen auch Temperaturstrahlung, so daß die Empfangsantenne eine weitaus höhere Rauschtemperatur als unter ClearSky-Bedingungen empfängt.
Die Rauschtemperatur hat direkten Einfluß auf das Linkbudget, da das Systemrauschen ansteigt und damit die Antennengüte G/T reduziert wird. Ein Gewitterregen mit 6 dB Regendämpfung verringert zusätzlich die Empfangsgüte G/T um 4 dB, so daß eine Gesamtreduzierung des Carrier-to-Noise-Verhältnisses um 10 dB zu verbuchen ist. Im Abschnitt "Analyse des Linkbudgets unter Regenbedingungen" habe ich dies ausführlich anhand einer Regendämpfung von 4 dB mit den entsprechenden Gleichungen beschrieben.
Abbildung 16: Durchschnittliche maximale Regenmengen, die an 0,01%
eines Jahres fallen.
2.4.3.3. Geringe Elevation der Satellitenantenne
Bei der Nutzung von Telekommunikationssatelliten, die aufgrund ihrer
Position nur mit geringer Antennenelevation empfangbar sind, erhöht
sich die durch das Antennensystem aufgefangene Rauschtemperatur erheblich.
Maßgeblich haben hier die Temperatur des Bodens und Störeinflüsse
aus der Umgebung der Antenne, z.B. durch Industrie oder Richtfunkstrecken,
Einfluß auf diese Verschlechterung.
Abbildung 17: Anstieg der Antennenrauschtemperatur in Abhängigkeit
zu Antennendurchmesser und genutzter Frequenz
Die Rauschtemperatur bildet bei der Berechnung des Linkbudgets einen wichtigen Faktor für die Kalkulation des G/T-Werts im Satelliten und in der Erdstation. Eine meßbare Zunahme der Rauschtemperatur in Abhängigkeit von der Antennengröße kann für die eine 3,7 Meter große Antenne, diese kann mit einer Hauptstation verglichen werden, unterhalb einer Elevation von etwa 10° und für eine VSAT-Einheit von z.B. 1,2 Meter Durchmesser bereits ab einer Elevation kleiner 25° gemessen werden.
Besonders für VSAT-Terminals ist die Verwendung von Kommunikationsverbindungen mit geringer Antennenelevation als kritisch anzusehen, da die Empfangsmarge durch den an sich schon geringen G/T-Wert der Antenne noch weiter reduziert wird.
Ein weiteres Problem ergibt sich aus der zusätzlichen Beeinflussung durch Niederschlag. Da bei geringen Elevationen die Verbindung für eine längere Strecke in der Erdatmosphäre verbleibt, sind die Auswirkungen der Regendämpfung wesentlich stärker und verursachen eine stärkere Verschlechterung des Signals im Vergleich zu Stationen mit höherer Antennenneigung.
Das Linkbudget ist die zentrale Berechnung der gesamten Satellitenstrecke.
Ein optimal berechnetes Linkbudget zeichnet sich durch ein bestmögliches
Zusammenspiel aller im Gesamtsystem vertretener Einzelbausteine aus. Wichtige
Einzelheiten sind hierbei die G/T- und EIRP-Werte des Satelliten für
die entsprechenden Standorte sowie die technischen Möglichkeiten,
die die Erdstationen bieten. Im Bezug auf multimediale Breitbanddienste
werde ich folgend ein komplettes Linkbudget mit Vorwärts- und Rückwärtskanal
darlegen, wobei ein acht Mbps/256 kbps-System betrachtet werden soll. Diese
Daten beschreiben eine Anbindung an Kabelnetze oder Firmennetzwerke sehr
gut und werden heute bereits eingesetzt.
Abbildung 18: Wichtige Größen im Linkbudget
Aus dem errechneten Linkbudget kann ein Satellitenkommunikationsingenieur direkt ersehen, mit welcher maximal möglichen oder erlaubten Ausgangsleistung diese Kommunikationsstrecke gefahren werden darf. Weiterhin kann durch die Angabe der Leistung, die über der Empfangsschwelle liegt, eine Maßeinheit für die Verfügbarkeit des Services angegeben werden. Ich werde daher im Anschluß an die Berechnung von "ClearSky"-Bedingungen eine Berechnung des Linkbudget bei dem Einfluß von Regen mit 4 dB Dämpfung, dies entspricht einer Grenze von 99,9% Verfügbarkeit, über der Zentralstation aufzeigen.
Als Voraussetzung zur ausführlichen Berechnung eines Linkbudgets möchte ich folgende Elemente betrachten, die fest vorgegeben werden bzw. wonach sich die entsprechenden EIRP-Leistungsberechnungen des Satelliten und der Erdstationen richten. Der Standort der Zentralstation ist in Sankt Augustin, die Remotestation wird in Heraklion auf Kreta errichtet.
Zentrale Hubstation:
Eutelsat-Registrierung: HOL-BON-002
TX-Frequenz: 14,360 GHz
RX-Frequenz: 11,045 GHz
TX-Datenrate: 8,448 Mbps (E2) nach DVB mit RS und VIT 1/2
RX-Datenrate: 0,256 Mbps
Antennenreflektorgröße: 3,7 Meter
Antennengewinn (RX/TX): 53 dBi
Max. TWTA Output: 21 dBW
Verlust im Feed (TX/RX) LFeed: 2 dB
Positionierungsfehler: 1 dB
Umgebungstemperatur: 290 K
Receiverrauschmaß: 60 K
VSAT-Station:
Eutelsat-Registrierung: HOL-HAN-004
TX-Frequenz: 14,345 GHz
RX-Frequenz: 11,060 GHz
RX-Datenrate: 8,448 Mbps (E2)
TX-Datenrate: 0,256 Mbps
Antennenreflektorgröße: 1,2 Meter
Antennengewinn: 44 dBi
Max. SSPA Output: 9 dBW
Verlust im Feed (RX/TX) LFeed: 0,5 dB
Positionierungsfehler: 0,5 dB
Umgebungstemperatur: 290 K
Receiverrauschmaß: 60 K
Satellit:
Name: EUTELSAT II-F3
Position: 36° Ost
Transponder: 21
Bandbreite des Transponders: 72 MHz
G/TSat-Wert Sankt Augustin: +5,5 dB/K
EIRPSat-Wert Sankt Augustin: 45,5 dBW
G/TSat-Wert Heraklion: +1 dB/K
EIRPSat-Wert Heraklion: 44,0 dBW
Sättigungsflußdichte F: -80 dBW/m²
für G/T = -0,5 dB/K
Polarisationsentkopplung: 25 dB
Gemäß Vorgabe wird eine bidirektionale Verbindung zwischen
Sankt Augustin und Heraklion eingerichtet, d.h. es werden zwei komplette
Strecken berechnet. Da beide Verbindungen mit jeweils nur einer Antenne,
die für Empfang- und Sendeverkehr ausgelegt ist, durchgeführt
wird, müssen also beide Linkberechnungen auch in den Margin passen.
Die maximal mögliche Ausgangsleistung EIRPmax, die von dieser Erdstation möglich ist, errechnet sich aus dem folgenden Produkt:
EIRPmax = Pout Gmax / LFeed;
Mit
Pout = Maximale Ausgangsleistung der TWTA
Gmax = Maximale Antennengewinn
LFeed = Verlust zwischen TWTA und Feedhorn
Ergibt sich ein EIRPmax-Wert von
EIRPmax = 53 dB + 21 dB - 2 dB = 72 dBW.
Um den Satellitentransponder in Sättigung zu betreiben, muß die maximal erlaubte EIRP berechnet werden.
EIRPSättigung = F A LUplink
= -86 dB - 44,59 dB +209 dB
= 78,41 dBW.
F = Sättigungsflußdichte im Bezug
auf den Sendestandort, hier Sankt Augustin, daher = FRef
/ D (G/T) = -86 dBW/m²;
A = wirksame Fläche des Isotropenstahlers = - (21,45 + 20 log
(fUplink) = - 44,59 dB(m²)
LUplink = Freiraumverlust auf der Uplinkstrecke = LFreeSpace
+ LFeed = 207 dB + 2 dB = 209 dB.
Da wir den Transponder aufgrund der sonst auftretenden Intermodulationsstörungen mit den weiteren Übertragungskanälen nicht im Sättigungsbereich betreiben dürfen, müssen wir einen IBO ("Input BackOff") anwenden. Dies ist ein Wert, der entsprechend der anzuwendenden Carrier von der Satellitenbetreiberorganisation vorgegeben wird und von den Erdstationen einzuhalten ist. Für den 8 Mbps-Träger auf diesem Transponder haben wir für den Wert IBO = 13 dB erhalten.
Der Uplink zum Satelliten sollte also nun mit der maximal möglichen Ausgangsleistung durchgeführt werden.
EIRPIBO = EIRPSättigung / IBO
= 78,41 dBW - 13 dB = 65,41 dBW;
Das anzugebende Carrier-To-Noise-Verhältnis für den Uplink kann daher wie folgend berechnet werden.
(C / N0)Uplink = EIRPIBO + (G / T)
Satellit - LUplink - k;
= 65,41 dB + 5,5 dB - 209 dB +228,6 dB = 90,51 dBHz;
Der E2-Carrier in unserem Vorwärtskanal hat eine zu berücksichtigende Bandbreite von 11 MHz, gleich B = 70,41 dBHz, bei einem eingerechneten Schutzbandfaktor von 1,3. Daher ergibt sich folgendes (C / N)Uplink-Ergbnis für den Uplink.
(C / N)Uplink = (C / N0)Uplink - B
= 90,51 dB - 70,41 dB = 20,1 dB.
Für die Zusammenfassung der Linkbetrachtung wird folgendes Ergebnis
festgehalten:
OBO = IBO - 4,8 dB = 8,2 dB.
Über Heraklion beträgt laut Angabe die maximale EIRP-Leistung EIRPmax = 44 dBW. Daraus ergibt sich die abgestrahlte Sendeleistung für den E2-Carrier wie folgt:
EIRPSatellit = EIRPmax - OBO
= 44 dB - 8,2 dB = 35,8 dBW.
Der Wert, der hier zur Beurteilung der Güte des Downlinks benötigt wird ist wiederum der Carrier-To-Noise-Wert, diesmal allerdings für den Downlink.
(C / N0)Downlink = (EIRP)Satellit (1 / L)Downlink (G / T)Erdstation (1 / k);
Außer dem Wert (G / T)Erdstation sind in dieser Formel alle Werte bekannt.
(EIRP)Satellit = 35,8 dBW
LDownlink (11GHz) = 205,5 dB
k = 228,6 dBW/K Hz
Dieser (G / T)Erdstation-Wert wird auch normalerweise nicht angegeben, da äußere Einflüsse am Antennenstandort diesen verfälschen können. Die Berechnung kann wie folgt nachvollzogen werden, eine nähere Beschreibung wurde bereits oben gegeben:
(G / T)Erdstation = (GRmax / LR)Erdstation (1 / LFRx)Erdstation (1 / T)Erdstation;
mit
GRmax = 44dBi
LR = 0,5 dB
LFRx = 0,5 dB
TErdstation = TA / LFRx + TF
(1 - 1 / LFRx) + TR;
Die Rauschtemperatur in der VSAT-Station setzt sich dabei wie folgt
zusammen:
TErdstation = TA / LFRx + TF
(1 - 1 / LFRx) + TR;
TErdstation = 116,4 K = 20,66 dB
Mit:
TA = TSky + TBoden = 28 K
LFRx = 0,5 dB
TF = 290 K
TR = 60 K
Daraus folgt:
(G / T)Erdstation = 44 dB - 0,5 dB - 0,5 dB - 20,66 dB
= +22,3 dB/K.
Der Carrier-To-Noise-Wert ergibt somit:
(C / N0)Downlink = (EIRP)Satellit (1
/ L)Downlink (G / T)Erdstation (1 / k)
= 35,8 dB - 205,5 dB + 22,3 dB + 228,6 dB = 81,2 dBHz.
Da der E2-Carrier in unserem Vorwärtskanal im Satelliten nicht verändert wird, hat dieser weiterhin eine zu berücksichtigende Bandbreite von 11 MHz, gleich B = 70,41 dBHz, bei einem eingerechneten Schutzbandfaktor von 1,3. Daher ergibt sich folgendes (C / N)Downlink-Ergbnis für den Downlink.
(C / N)Downlink = (C / N0)Downlink
- B
= 81,2 dB - 70,41 dB = 10,79 dB.
Für die Zusammenfassung der Linkbetrachtung wird folgendes Ergebnis festgehalten:
Der Gesamtwert ergibt sich dabei gemäß folgender Formel:
(C / N)Total-1 = (C / N)Uplink-1 + (C / N)Downlink-1 + (C / N)IM-1 + (C / N)Pol-1 + (C / N)I-1;
mit:
(C / N)Uplink = 20,1 dB
(C / N)Downlink = 10,79 dB
(C / N)IM = OBO / IM;
IM = 17 - 3IBO - 6,25 exp ((11,75 - IBO)/6,25); (gültig für alle
IBO > 6 dB)
Mit IBO = 13 dB und OBO = 8,2 dB folgt:
IM = -27,11 dB
(C / N)IM = 8,2 dB + 27,11 dB = 35,31 dB
(C / N)Pol = 25 dB
(C / N)I = 30 dB (Schätzung)
Gesamtlinkbudget:
(C / N)Total-1 = 10-2,01 + 10-1,079 + 10-3,531 + 10-2,5 + 10-3,0 = 0,09760.
(C / N)Total = 10,2459.
Für DVB-Links mit VIT ½ sowie ReedSolomon-Codierung beträgt das minimal notwendige Carrier-To-Noise-Verhältnis zur korrekten Decodierung des Signals etwa 5,5 dB für eine BER von <10-8. Wir erzielen somit einen Linkmargin auf dieser Strecke von M = 10,11 dB - 5,5 dB = 4,61 dB.
EIRPmax = Pout Gmax / LFeed;
Mit
Pout = Maximale Ausgangsleistung der SSPA
Gmax = Maximaler Antennengewinn
LFeed = Verlust zwischen TWTA und Feedhorn
Ergibt sich ein EIRPmax-Wert von
EIRPmax = 44 dB + 9 dB - 0,5 dB = 52,5 dBW.
Der theoretische Wert, um den Satellitentransponder von diesem Standort aus, in Sättigung zu bringen, muß die EIRPSättigung berechnet werden.
EIRPSättigung = F A LUplink
= -81,5 dB - 44,59 dB +207,5 dB = 81,41 dBW.
Mit:
F = Sättigungsflußdichte im Bezug
auf den Sendestandort, hier Heraklion, daher = FRef
/ D (G/T) = -81,5 dBW/m²;
A = wirksame Fläche des Isotropenstahlers = - (21,45 + 20 log
(fUplink) = - 44,59 dB(m²)
LUplink = Freiraumverlust auf der Uplinkstrecke = LFreeSpace
+ LFeed = 207 dB + 0,5 dB = 207,5 dB.
Bei VSAT-Stationen wird meistens die Möglichkeit, einen Transponder im Sättigungsbereich zu betreiben mit der EIRP nicht erreicht. Daher muß von uns automatisch ein IBO ("Input BackOff") angewendet werden. Dieser Wert wird ebenso für den anzuwendenden Carrier von der Satellitenbetreiberorganisation vorgegeben und ist von der VSAT-Station einzuhalten ist. Für den 256 kbps-Träger auf diesem Transponder beträgt dieser Wert IBO = 29,8 dB.
Der Uplink zum Satelliten darf also nur mit der maximal erlaubten Ausgangsleistung durchgeführt werden.
EIRPIBO = EIRPSättigung / IBO
= 81,41 dBW - 29,8 dB = 51,61 dBW;
Für VSAT-Antennen ist es nun abzuschätzen, ob die notwendige EIRP überhaupt von diesem geplanten Antennensystem erzielt werden kann. Der EIRPmax-Wert liegt für dieses System bei 52,5 dBW, so daß 0,9 dBW wenige Sendeleistung benötigt wird.
Das anzugebende Carrier-To-Noise-Verhältnis für den Uplink kann daher wie folgend berechnet werden.
(C / N0)Uplink = EIRPIBO + (G / T)
Satellit - LUplink - k;
= 51,61 dB + 1,0 dB - 207,5 dB +228,6 dB = 73,71 dBHz;
Der 256 kbps-Carrier in unserem Rückwärtskanal hat eine zu berücksichtigende Bandbreite von 0,333 MHz, gleich B = 55,22 dBHz, bei einem eingerechneten Schutzbandfaktor von 1,3. Daher ergibt sich folgendes (C / N)Uplink-Ergbnis für den Uplink.
(C / N)Uplink = (C / N0)Uplink - B
= 73,71 dB - 55,22 dB = 18,49 dB.
Für die Zusammenfassung der Linkbetrachtung wird folgendes Ergebnis festgehalten:
Somit ergibt sich für den Rückkanal ein OBO von 25,0 dB.
Über Sankt Augustin beträgt laut Angabe die maximale EIRP-Leistung EIRPmax = 45,5 dBW. Daraus ergibt sich die abgestrahlte Sendeleistung für den 256 kbps-Carrier wie folgt:
EIRPSatellit = EIRPmax - OBO
= 45,5 dB - 25,0 dB = 20,5 dBW.
Der Wert, der hier zur Beurteilung der Güte des Downlinks benötigt wird ist wiederum der Carrier-To-Noise-Wert.
(C / N0)Downlink = (EIRP)Satellit (1 / L)Downlink (G / T)Erdstation (1 / k);
Außer dem Wert (G / T)Erdstation sind in dieser Formel wiederum alle Werte bekannt.
(EIRP)Satellit = 20,5 dBW
LDownlink (11GHz) = 205,5 dB
k = 228,6 dBW/K Hz
(G / T)Erdstation = (GRmax / LR)Erdstation (1 / LFRx)Erdstation (1 / T)Erdstation;
mit
GRmax = 53dBi
LR = 1 dB
LFRx = 2 dB
TErdstation = TA / LFRx + TF
(1 - 1 / LFRx) + TR;
Die Rauschtemperatur in der Zentralstation setzt sich dabei wie folgt
zusammen:
TErdstation = TA / LFRx + TF
(1 - 1 / LFRx) + TR;
TErdstation = 184,66 K = 22,66 dB
Mit:
TA = TSky + TBoden = 28 K
LFRx = 2 dB
TF = 290 K
TR = 60 K
Daraus folgt:
(G / T)Erdstation = 53 dB - 1 dB - 2 dB - 22,66 dB = +27,34 dB/K.
Der Carrier-To-Noise-Wert ergibt somit:
(C / N0)Downlink = (EIRP)Satellit (1 / L)Downlink (G / T)Erdstation (1 / k)
= 20,5 dB - 205,5 dB + 27,34 dB + 228,6 dB = 70,94 dBHz.
Da der 256 kbps-Carrier in unserem Rückwärtskanal im Satelliten ebenso nicht verändert wird, hat dieser weiterhin eine zu berücksichtigende Bandbreite von 0,333 MHz, gleich B = 55,22 dBHz, bei einem eingerechneten Schutzbandfaktor von 1,3. Daher ergibt sich folgendes (C / N)Downlink-Ergbnis für den Downlink.
(C / N)Downlink = (C / N0)Downlink
- B
= 70,94 dB - 55,22 dB = 15,72 dB.
Für die Zusammenfassung der Linkbetrachtung wird folgendes Ergebnis festgehalten:
Der Gesamtwert ergibt sich dabei gemäß folgender Formel:
(C / N)Total-1 = (C / N)Uplink-1 + (C / N)Downlink-1 + (C / N)IM-1 + (C / N)Pol-1 + (C / N)I-1;
mit:
(C / N)Uplink = 18,49 dB
(C / N)Downlink = 15,72 dB
(C / N)IM = OBO / IM;
IM = 17 - 3IBO - 6,25 exp((11,75 - IBO)/6,25); (gültig für
alle IBO > 6 dB)
Mit IBO = 29,8 dB und OBO = 25 dB folgt:
IM = -72,75 dB
(C / N)IM = 29,8 dB + 72,75 dB = 102,55 dB
(C / N)Pol = 25 dB
(C / N)I = 20 dB (Schätzung)
Gesamtlinkbudget:
(C / N)Total-1 = 10-1,849 + 10-1,572 + 0+ 10-2,5 + 10-2,0 = 0,0541.
(C / N)Total = 18,4842
Für QPSK-Links mit VIT ½ beträgt das minimal notwendige
Carrier-To-Noise-Verhältnis zur korrekten Decodierung des Signals
etwa 5,0 dB für eine BER von <10-8. Wir erzielen somit
einen Linkmargin auf dieser Strecke von M = 12,67 dB - 5,0 dB = 7,67 dB.
Abbildung 19: Regendämpfung bei 120mm/h Niederschlag in Abhängigkeit
von Frequenz und Elevationswinkel
Im folgenden Teilabschnitt werde ich daher als Beispiel diesen Downlink nach Heraklion mit Regen belasten und das Linkbudget hierfür nochmals unter diesen Bedingungen angeben und bewerten. Folgende Werte bleiben im Bezug auf "ClearSky-Bedingungen gleich.
OBO = IBO - 4,8 dB = 8,2 dB.
EIRPmax = 44 dBW.
EIRPSatellit = 35,8 dBW.
Der Wert, der hier zur Beurteilung der Güte des Downlinks benötigt wird, ist wiederum der Carrier-To-Noise-Wert, diesmal allerdings für den Downlink mit zusätzlicher Regendämpfung in einer Höhe von 4 dB.
(C / N0)Downlink = (EIRP)Satellit (1 / L)Downlink (1 / L)Regen (G / T)Erdstation (1 / k);
Außer dem Wert (G / T)Erdstation sind in dieser Formel alle Werte bekannt.
(EIRP)Satellit = 35,8 dBW
LDownlink (11GHz) = 205,5 dB
LRegen = 4 dB
k = 228,6 dBW/K Hz
Dieser (G / T)Erdstation-Wert wird sich nun deutlich verändern,
da die empfangene Rauschtemperatur in der Erdstation durch den Regen wesentlich
höher sein wird.
Abbildung 20: Erhöhung der Rauschtemperatur aufgrund von Regen
(G / T)Erdstation = (GRmax / LR)Erdstation (1 / LFRx)Erdstation (1 / T)Erdstation;
mit
GRmax = 44dBi
LR = 0,5 dB
LFRx = 0,5 dB
TErdstation = TSky / ARegen + Tm
(1 - 1 / ARegen) + TR;
Tm = 1,12 T0 - 50;
Die Rauschtemperatur in der VSAT-Station setzt sich somit wie folgt zusammen:
TErdstation = 228,2 K = 23,58 dB
Mit:
TSky = 8 K
ARegen = 4 dB = 2,51
Tm = 274,8 K
T0 = 290 K
TR = 60 K
Daraus folgt:
(G / T)Erdstation = 44 dB - 0,5 dB - 0,5 dB - 23,58 dB = +19,42 dB/K.
Gegenüber ClearSky-Bedingungen hat sich somit die Empfangsgüte der VSAT-Antenne von 22,3 dB auf 19,42 dB um 2,88 dB verschlechtert.
Der Carrier-To-Noise-Wert ergibt somit:
(C / N0)Downlink = (EIRP)Satellit (1 / L)Downlink (1 / L)Regen (G / T)Erdstation (1 / k)
= 35,8 dB - 205,5 dB - 4 dB + 19,42 dB + 228,6 dB = 74,32 dBHz
Da der E2-Carrier in unserem Vorwärtskanal im Satelliten nicht durch den Regen verändert wird, hat dieser weiterhin eine zu berücksichtigende Bandbreite von 11 MHz, gleich B = 70,41 dBHz, bei einem eingerechneten Schutzbandfaktor von 1,3. Daher ergibt sich folgendes (C / N)Downlink-Ergbnis für den Downlink.
(C / N)Downlink = (C / N0)Downlink - B
= 74,32 dB - 70,41 dB = 3,91 dB.
In der Zusammenfassung mit den weiteren Carrier-To-Noise-Verhältnissen wird der jetzt gewonnene Wert durch die reziproke Berechnung der dominante Wert sein, so daß für die Gesamtbetrachtung der Ausstrahlung etwa der gleiche Wert von 3,91 dB als Maßstab anzunehmen ist. Noch wichtiger ist jetzt die Beurteilung gegenüber der entsprechenden Empfangsschwelle. Wie oben bereits geschildert, benötigt dieser Träger einen Mindestwert von (C / N)Total = 5,5 dB. Der jetzt erreichte Wert liegt unter dieser Schwelle, so daß unter diesen Bedingungen KEIN Telekommunikationsverkehr möglich ist. Da der Verfügbarkeitswert für 4 dB Regendämpfung in Europa 99,99% der Zeit beträgt, muß die Gesamtverfügbarkeit dieses Links gemäß der berechneten Daten in die Klasse 99%, entspricht 2,5 dB maximale Regendämpfung, eingeordnet werden.
Beweisführung:
ARegen = 2,5 dB = 1,778;
TErdstation = TSky / ARegen + (1,12 T0 - 50) (1 - 1 / ARegen) + TR;
TErdstation = 185,41 K = 22,68 dB
(G / T)Erdstation = (GRmax / LR)Erdstation (1 / LFRx)Erdstation (1 / T)Erdstation;
(G / T)Erdstation = 44 dB - 0,5 dB - 0,5 dB - 22,68 dB = +20,32 dB/K.
(C / N0)Downlink = (EIRP)Satellit (1 / L)Downlink (1 / L)Regen (G / T)Erdstation (1 / k)
= 35,8 dB - 205,5 dB - 2,5 dB + 20,32 dB + 228,6 dB = 76,72 dBHz
(C / N)Downlink = (C / N0)Downlink - B
= 76,72 dB - 70,41 dB = 6,31 dB > 5,5 dB Schwelle q.e.d.
3. Übertragungsarten
Im folgenden Kapitel möchte ich auf die beiden wichtigen Satellitenübertragungsarten für Breitbandmultimediaanwendungen eingehen, die heute von unterschiedlichen Satellitenbetreibern bereits professionell genutzt werden. Neben dem unterschiedlichen Aufbau der Bitfolge dieser beiden konkurrierenden Übertragungsmethoden werde ich auch auf die angewandten Schutzcodierungen für Satellitenkommunikation im Vorwärts- und Rückwärtskanal eingehen. Neben durchgeführten Messungen werde ich auch eine Abschätzung des notwendigen Aufwands der Übertragungsstrecken aufzeigen.
Jedes Signal wird bei einer Telekommunikationsübertragung grundsätzlich, wenn teilweise auch nur gering, im Signalwert nach Betrag und Phasenlage gestört. Die Gründe hierfür sind die Einflüsse der verwendeten Elektronik sowie Auswirkungen durch das Übertragungsmedium selbst. Dazu gehören z.B. Nichtlinearitäten im vorhandenen Telekommunikationssystem, Störungen in der Atmosphäre (z.B. Regen) sowie Störungen durch die menschliche Infrastruktur (Funkwellen, Mehrfachreflexionen, etc.). Beim Empfang des Signals treten somit zwangsläufig ein gewisses Maß an fehlerhaften Informationen ein.
Durch eine geeignete Berechnung der Übertragungsparameter können diese Störeinflüsse minimiert, aber nie ganz ausgeschlossen werden. Daher müssen geeignete Hardwarekomponenten bei der Demodulation eingesetzt werden, die die bestmögliche Darstellung des Basisbandsignals ermöglichen.
Im Bereich der Satellitenkommunikation sind dabei gleich mehrere Faktoren zu beachten. Durch den hohen Freiraumverlust auf der Übertragungsstrecke müssen die Signale auf der Sende- und Empfangsseite stark verstärkt werden. Im 14-GHz-Bereich ist dabei eine sendeseitig notwendige Verstärkung des Signals, neben dem Gewinn des Antennenreflektors, bei breitbandigen Services nur durch Wanderfeldröhren zu erzielen. Da diese durch ihre Charakteristik einen stark nichtlineraren Frequenzgang besitzen, können Amplitudenmodulationen nicht eingesetzt werden; im digitalen Bereich wird daher Phasenmodulation und für analoge Systeme Frequenzmodulation verwendet.
Digitale Übertragungsformen haben gegenüber analogen Methoden einen Vorteil. Durch die Begrenzung der möglichen Übertragungswerte auf eine kleine natürliche Zahl n können Abweichungen von der Signalschwelle durch die geeignete Wahl von Rechen- und Vergleichsalgorithmen fast vollständig ausgeschlossen werden.
Beim Empfang eines digitalen Signals setzt man zur Demodulation von
Signalen daher in der Digitaltechnik Schwellwertkomparatoren ein. Diese
entscheiden nach Empfang so dann aufgrund der Phasenlage des Empfangssignals,
welcher digitale Wert übertragen wurde. Dies wird in Echtzeit durchgeführt
und bedeutet für jedes fehlerhaft übertragene Signal eine falsch
decodierte Information. Die Entscheidungsgrenze liegt bei der Überschreitung
eines bestimmten Schwellwerts und kann normalerweise, da anzunehmen ist,
daß alle möglichen Binärkombinationen der Modulation mit
gleicher Wahrscheinlichkeit auftreten, in der Mitte zwischen zwei bestimmten
Werten angesiedelt werden.
3.2. Vorwärtsübertragungskanal
Über den Vorwärtsübertragungskanal werden die Daten von der Informationsquelle zu den Nutzern ausgestrahlt. Der Aufbau und die Art, wie dieser Kanal übertragen wird, hat dabei entscheidenden Einfluß auf die nutzbare und zur Verfügung stehende Datenmenge sowie die entstehenden Kosten.
Der Vorwärtsübertragungskanal wird von der zentralen Hubstation zu den kleineren VSATs ausgestrahlt. Dies bedeutet, daß die Encodierung des Sendesignals nur einmal zu erfolgen hat, der Kanal aber von vielen verschiedenen Stationen empfangen werden wird.
Die beiden Übertragungsarten, die für die Anwendung breitbandiger und flexibler Multimediaservices in Frage kommen, ATM und MPEG-2/DVB, möchte ich daher im folgenden Abschnitt näher betrachten.
MPEG-2/DVB, besser bekannt als die heute übliche weltweite Norm für digitales Fernsehen, bietet im Aufbau mehr Nutzungsmöglichkeiten als eine reine Ausstrahlungform von TV-Signalen. Die grundlegenden Voraussetzungen und Eigenschaften von MPEG-2/DVB wurden für den Satellitenbereich (DVB-S) von der ETSI als europäische Norm ETS 300 421 mit Wirkung von 1.1.1995 festgelegt. Die Merkmale des DVB-S-Standards leiten sich dabei aus der den technischen Anforderungen der Übertragungsstrecke und deren Nutzern ab. Den Aufbau und das Aufzeigen der unterschiedlichen Möglichkeiten dieser Übertragungsnorm für breitbandige Multimediaanwendungen ist der Inhalt des folgenden Kapitels.
Im folgenden Abschnitt wird der Signalweg des DVB-Signals von der Encodierung zur Modulation im Sender und Decodierung im Empfänger sowie entsprechenden Möglichkeiten der Verbesserung der Übertragungsgüte durch Schutzcodierungen aufgezeigt.
Die Qualität der Übertragung nach DVB kann an vielen Parametern festgemacht werden, nicht zuletzt an einem ungenügend berechnetem Linkbudget für diese Verbindung. Diesen Fall möchte ich außen vor lassen, da unter solchen Bedingungen nie eine Datenübertragung erfolgen kann. Wichtige Parameter sind daher die zu beobachtende Bitfehlerrate sowie die Schutzcodierungen nach Viterbi und ReedSolomon, die ich folgend näher betrachten möchte.
Die notwendige Bitfehlerrate, die am Anfang der Decodierung des DVB-Datenstroms zu messen ist, darf einen Wert vom <10-6 nicht überschreiten, da sonst eine fortlaufende Decodierung des DVB-Datenstroms nicht möglich ist. Für kleinere Werte kann daher mit steigender Qualität des deocdierten DVB-TransportStreams gerechnet werden.
Für Studioanwendungen, wenn z.B. über MPEG-2/DVB Fernsehübertragungen
mittels DSNG zu TV-Stationen durchgeführt werden, gelten höhere
Anforderungen. Hierbei werden Linkbudgets berechnet und bezahlt, für
die ein so hoher Carrier-To-Noise-Wert genutzt wird, daß BER-Werte
im Bereich von 10-11 bis 10-20 keine Seltenheit sind.
3.2.1.1.1.2. Schutzcodierungen
Im folgenden Unterabschnitt werde ich auf die Funktionsweise der beiden Schutzcodierungen Viterbi und ReedSolomon im Bezug auf eine DVB-Übertragungsstrecke eingehen.
Bei der Übertragung von Daten über Satellit muß man die Gefahr einer erhöhten Bitfehlerrate ins Gesicht sehen. Ein schlechtes Carrier-To-Noise-Verhältnis oder stark wechselnde Wetterbedingungen im Link können die Signalqualität herabsetzten. Mit der Hilfe des Viterbi-Algorithmus können diese Fehler auf einfache Art und Weise korrigiert werden und liefern somit eine wesentlich sichere Übertragungsform von digitalen Signalen. Später wird noch gezeigt, daß selbst bei einem Totalverlust der Information in einer Zeiteinheit die Signalfolge wieder korrekt hergestellt werden kann.
Der "Trick" liegt dabei in der rechnerischen Echtzeitgeneration von Symbolcodes, die aufgrund ihres Werts den Wechsel von einem Zustand zum Nächstfolgenden beschreiben. Diese Symbole werden nun anstatt der expliziten Datenbits übertragen. Die Zahl der Symbolbits ist bei der Faltungscodierung auf jeden Fall größer als die Anzahl der Eingabebits. Dieses Verhältnis wird dabei von der Viterbi-Übertragungscoderate, oder FEC-Rate, beschrieben. Eine Viterbi-Coderate von R = ½ gibt dabei an, daß ein Datenbit gelesen wird und nach der Bestimmung der Art des Änderung im Vergleich zu den zuvor anliegenden Datenbits zwei Bits als Viterbisymbole übertragen werden.
Abbildung 21: Möglicher Faltungscodierer
Als Beispiel für die Darstellung einer Übertragung verwende ich einen Faltungscodierer mit der Codierungsrate R = ½, der auch für DVB-Applikationen zum Einsatz kommt. Ein ankommendes Bit ergibt faltungscodiert hierbei in Abhängigkeit mit zwei vorangegangenen Signalen zwei Viterbisymbole. Das ankommende Datenbit wird bei der Codierung über zwei Laufzeitglieder nacheinander an den Stellen S1, S2 und S3 abgegriffen und zwei unterschiedlich beschalteten Exclusiv-Oder-Verknüpfungsstellen zugeführt. Der Ausgang der beiden EXOR-Gatter bildet dabei die Viterbi-Symbolcodierung.
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Der Grundzustand vor dem Beginn der Übertragung, die notwendige
Anfangsbedingung, sieht vor, daß an den Punkten S1, S2 und S3 der
Wert "0" anliegt. Sobald ein Signalbit an der Stelle S1 ankommt, wird der
Wert von S2 nach S3 und der Wert S1 nach S2 verschoben, so daß jetzt
der Unterschied zwischen dem vorangegangenen Bitpaar an S1 und S3 sowie
dem neuen Dibit an S1 und S2 codiert werden kann. Für alle acht Möglichkeiten
der Signale an den Meßstellen S1, S2 und S3 ergibt sich dabei das
Zustandsfolgediagramm der beiden Viterbisymbole V1 und V2.
3.2.1.1.1.2.1.2. Der Decoder
Im Decoder werden zur Umrechnung in die Dateninformationen aus dem Symbolcode die empfangene Signalfolge zunächst in einem Puffer zwischengespeichert. Für den Übergang von einem Binärcode zum Nächsten werden im Algorithmus ganz bestimmte Viterbisymbole 00, 01, 10 oder 11 verwendet. Alle Möglichkeiten, die auftreten können, sind für die ersten sieben Viterbi-Dibits hier dargestellt.
Abbildung 23: Alle möglichen Kombinationen im Viterbi-Algorithmus
für die ersten sieben Stellen
Bei der Decodierung, hierbei sind unterschiedliche Methoden mit dem
gleichen Ergebnis möglich, gehe ich hier auf den Bitvergleichsalgorithmus
ein. Bei dieser Berechnung wird das erste empfangene Symbol mit den möglichen
Tabellenwerten verglichen. Jeder Unterschied zwischen dem empfangenen Viterbi-Dibit
und dem Tabellenwert wird dabei mit dem Zahlenwert 1 markiert. Für
den Übergang wird z.B. zwischen den Datenwerten 01 und 10 der Viterbiwert
10 benötigt. Falls der Viterbiwert jedoch den Zustand 11 aufweist,
erhält dieser Übergang den Fehlerwert 1 und bei Zustand 01 den
Fehlerwert 2. Jetzt werden aufgrund des empfangenen Viterbiwerts alle möglichen
Signalbitübergänge mit den entsprechenden Fehlerwerten bewertet.
Dies ergibt nach dem Beginn der Decodierung jeweils acht verschiedene Möglichkeiten.
Abbildung 24: Beispiel eines Zustandsfolgediagramm für Viterbicodierungen
gemäß aufgezeigtem Encoder
Abbildung 25: Mögliche Symbolcodes für die Bitübergänge
Im Folgenden werden die Pfade mit den gleichen Endsignaldaten nach der Summe der aufgetretenen Fehlerwerte verglichen. Die Pfade mit dem höheren Fehlerwert werden jetzt gestrichen, so daß am Ende nur noch vier Pfade übrigbleiben. Wenn diese vier Pfade nun den gleichen Anfangswert besitzen, erfolgt eine Ausgabe des entsprechenden Signalcodes. Falls dies nicht der Fall ist, wird der nächste Viterbicode aus dem Speicher gelesen und zusätzlich verarbeitet.
Die Fehlerwerte werden für jeden nichtgestrichenen Pfad während der gesamten Decodierung aufaddiert, so daß eine fortwährende Kontrolle möglich ist. Je höher dabei die Fehlerwerte für die korrekt decodierten Signalwerte sind, desto schlechter sind auch die Eigenschaften des Übertragungskanals.
Folgende Symboldaten wurden als Beispiel folgend übertragen:
11 01 00 10 10 10 01 ...
Abbildung 26: Signalweglauf im Viterbi-Algorithmus
Beginn der Fehlerwertbetrachtung:
Übergang: 1 > 2:
00 > 00 = 2; 00 > 10 = 0;
Übergang: 1 > 3:
00 > 00 > 00 = 3; 00 > 00 > 10 = 3; Summe: 6
00 > 10 > 01 = 2; 00 > 10 > 11 = 0; Summe: 2
Daraus folgt:
Die Summe der Fehlerwerte der Übertragungswegmöglichkeiten 1 > 3 im Pfad 00 > 00 > XX ist mit dem Wert "6" höher als die des Pfads 00 > 10 > XX mit dem Betrag "2". Daher wird der erste Übergang mit dem Wechsel von 00 zu 10 decodiert und somit eine "1" als Datenbit ausgegeben.
Weitere Decodierung:
Übergang: 1 > 3:
00 > 00 > 00 = 3; 00 > 00 > 10 = 3; Summe: 6
00 > 10 > 01 = 2; 00 > 10 > 11 = 0; Summe: 2
=> Decodiert für Übergang 1 > 2: Wert "1".
Übergang: 2 > 4:
Summenausgangswert: 10 > 01 = 2; 10 > 11 = 0;
10 > 01 > 00 = 3; 10 > 01 > 10 = 3; Summe: 6;
10 > 11 > 01 = 2; 10 > 11 > 11 = 0; Summe: 2;
=>
Übergang: 2 > 4:
10 > 01 > 00 = 3; 10 > 01 > 10 = 3; Summe: 6;
10 > 11 > 01 = 2; 10 > 11 > 11 = 0; Summe: 2;
=> Decodiert für Übergang 2 > 3: Wert "1".
Übergang 3 > 5:
Summenausgangswert: 11 > 01 = 2; 11 > 11 = 0;
11 > 01 > 00 = 3; 11 > 01 > 10 = 3; Summe: 6;
11 > 11 > 01 = 0; 11 > 11 > 11 = 2; Summe: 2;
Übergang 3 > 5:
11 > 01 > 00 = 3; 11 > 01 > 10 = 3; Summe: 6;
11 > 11 > 01 = 0; 11 > 11 > 11 = 2; Summe: 2;
=> Decodiert für Übergang 3 > 4: Wert "1".
Übergang 4 > 6:
Summenausgangswert: 11 > 01 = 0; 11 > 11 = 2;
11 > 01 > 00 = 2; 11 > 01 > 10 = 0; Summe: 2;
11 > 11 > 01 = 3; 11 > 11 > 11 = 3; Summe: 6;
Übergang 4 > 6:
11 > 01 > 00 = 2; 11 > 01 > 10 = 0; Summe: 2;
11 > 11 > 01 = 3; 11 > 11 > 11 = 3; Summe: 6;
=> Decodiert für den Übergang 4 > 5: Wert "0"
Übergang 5 > 7:
01 > 00 > 00 = 3; 01 > 00 > 10 = 3; Summe: 6;
01 > 10 > 01 = 0; 01 > 10 > 11 = 2; Summe: 2;
=> Decodiert für den Übergang 5 > 6: Wert "1"
Übergang 6 >8:
10 > 01 > 00 = 0; 10 > 01 > 10 = 2; Summe: 2;
10 > 11 > 01 = 3; 10 > 11 > 11 = 3; Summe: 6;
=> Decodiert für den Übergang 6 > 7: Wert "0"
Abbildung 27: Ausgefülltes Viterbialgorithmusdiagramm für
die ersten sieben Zustände
Decodierte Daten:
1 1 1 0 1 0 ...
Im fortwährenden Datenfluß ergibt sich die Möglichkeit auch bei Fehlern oder sogar Signalteilausfällen die korrekte Viterbi-Symbolcodekette durch die Speicherung und dem intelligenten Vergleich der möglichen Docodierungspfade im Empfänger wieder zu erkennen. Im Praktischen hat dieser Vorteil sogar Methode. Um weitere Übertragungskapazität, d.h. Bandbreite, einzusparen, ist es möglich, den Viterbicode zu punktieren.
Dies bedeutet, daß z.B. jedes dritte Viterbi-Bit einfach sendeseitig
nicht übertragen wird. Im Empfänger wird es nun wieder eingesetzt,
dabei wird der fehlenden Information der Wert 0,5 zugeordnet. Durch die
Leistungsfähigkeit des Viterbi-Algorithmus wird hierbei nun die Ausgabefehlerwahrscheinlichkeit
leicht erhöht. Die Coderate steigt dafür aber von R = ½
auf R = ¾, d.h. es erfolgt eine Reduzierung der zu übertragenden
Daten und somit auch eine Verringerung der erforderlichen Bandbreite. Zum
Erreichen der gleichen Bitfehlerrate, die Verwendung des gleichen Antennenequipments
vorausgesetzt, muß der modulierte Träger bei der Anwendung der
Punktierung mit einem höheren Carrier-To-Noise-Wert ausgestrahlt werden.
Durch das im Normalbetrieb lineare Verhalten der Wanderfeldröhre im
Satelliten bedeutet dies eine höhere Signalflußdichte und somit
einen größeren Empfangspegel des Signals über dem Rauschen.
Abbildung 28: E2-Träger mit FEC ½ (Bandbreite 8,5 MHz)
Abbildung 29: E2-Träger mit FEC ¾ (Bandbreite 6 MHz)
Tabelle: Beispiel für eine Punktierung zum Konvertierung von R
= ½ zu R = ¾
Viterbicoderaten von R = ½, 2/3, ¾, 5/6 und 7/8 sind üblich, wobei R = ½ als einziger unpunktiert ist. Bei allen Punktierungsvorgängen liegt ein, der Coderate entsprechendes, Maß an bewußt übertragenen sogenannten "Don't Care"-Zuständen vor. Daher benötigt eine digitale Übertragungsstrecke bei größerwerdenden Coderaten einen größeren Linkmargin als bei der unpunktierten Symbolfolge mit R = ½ um die gleiche Bitfehlerrate nach der Viterbikorrektur zu erreichen.
In der folgenden Tabelle kann der notwendige Schwellenempfangswert in Eb/No für eine korrigierte Bitfehlerrate von <10-6 für einen 2Mbps-Träger eingesehen werden:
| Coderate [R]: | Empfangswert [Eb/No]: | Notwendige zusätzliche Sendeleistung [in dB, Bezug auf R = ½] |
| ½ | 5,0 | 0 |
| ¾ | 6,3 | 1,9 |
| 7/8 | 7,3 | 2,8 |
| Rohdaten | 10,5 | 5,5 |
Tabelle: Empfangswerte im Vergleich zu den Empfangsparametern und Sendeleistung bei BER = 10-6.
Falsche Bits können aufgrund der Fehlerwertigkeit im Decodierungsschema mit Hilfe der in den folgenden Symboltakten, da mit konstanter Symbolrate gesendet wird, ankommenden Bits erkannt und im Viterbi-Decodierungsvorgang korrigiert werden. Das Auftreten von Fehlern ist im Allgemeinen bei gut dimensionierten Satellitenübertragungen besser als BER < 10-6, für professionelle Anwendungen wird mindestens BER < 10-10 empfohlen.
Durch die fortlaufende Decodierung können auftretende Fehler also erkannt und korrigiert werden. Bei häufig auftretenden Fehlern, wie z.B. einem schwachen Empfangspegel oder durch Interferenzen anderer Carrier, kann aber selbst der Viterbialgorithmus nicht alle Fehler herausrechnen. Hier kommt es insbesondere bei der Verwendung von DVB zu Fehlerbursts, die durch die Wahl von falschen Dekodierungspfaden im Algorithmus erst entstehen. Eine weitere Schutzkorrektur wird also nötig.
ReedSolomon Codes sind blockorientierte Blockcodes, die sowohl das defekte Symbol im Block erkennen als auch korrigieren können. Die Berechnungen für die En- und Decodierung finden dabei in einem abgeschlossenen Zahlenraum statt. Im Fall eines Binärcodes mit der Symbollänge L = 8 Bit enthält dieser Q = 2L = 28 = 256 Elemente. Einen solchen abgeschlossenen Zahlenraum nennt man Galois-Feld GF(Q).
Auf die genaue Definition des Galois-Feld soll hier nicht näher eingegangen werden, dies würde den Rahmen dieser Arbeite sprengen. Sollen mit einem ReedSolomon-Code n Symbole in einem Block korrigiert werden, die Fehler enthalten, müssen 2t Korrektursymbole angehängt werden. Die Reed-Solomon-Codierung ist dabei sowohl im Zeit- als auch im Frequenzbereich möglich. Hier möchte ich die Vorgehensweise nach DVB-Standard eingehen.
Die Informationssymbole werden im Encoder dabei so angeordnet, daß sie in den ersten m Stellen des zu übertragenden Codewortes stehen. Dieses Codewort wird nun durch das Generatorpolynom geteilt. Dieses Polynom hat die Eigenschaft, daß seine Nullstellen 2t aufeinander folgende Nullen im Spektrum zur Folge haben. Die k Stellen dieses Modulodivisionsergbnisses werden dabei hinter die m Stellen im zu übertragenen Codewort gehängt.
Dieses derart zusammengesetzte Wort c(x) mit n = m+k Stellen besitzt nun die Eigenschaft, daß sein Spektrum die gleichen 2t hintereinanderfolgende Nullstellen besitzt. Wenn ein Codewort nach der Übertragung somit diese Eigenschaft verloren hat, weiß der Decoder, daß es verfälscht worden ist. Er kann nun mit Hilfe verschiedener Algorithmen und Rechenoperationen im Frequenzbereich ein Fehlercodewort E(Z) erzeugen und somit wieder die ursprüngliche Information R(Z) = C(Z) - E(Z) zurückgewinnen. Nach der Rücktransformation in den Zeitbereich steht am Ausgang die ursprüngliche Information r(x) wieder zur Verfügung.
Abbildung 30: Funktionsweise der ReedSolomon-Schutzcodierung
Ein ReedSolomon-Code mit m Informationsbytesund k Korrekturbytes wird zusammenfassend ein RS(m+k,m)-Code genannt. Ein derartigerer Code kann maximal k/2 falsche Symbole pro Codewort korrigieren und k erkennnen.
Obwohl ReedSolomon-Codes symbolorientierte Codes sind, geht man bei der Analyse ihrer Leistungsfähigkeit von Bitfehlern aus. Unter der Annahme der Gleichverteilung der Bitfehler läßt sich eine Aussage über die Symbolfehlerrate treffen, mit deren Hilfe die Leistungsfähigkeit eines ReedSolomon-Codes analysiert werden kann.
Abbildung 31: Verhältnis zwischen Ausgangs- und Eingangsbitfehlerrate
bei Nutzung der ReedSolomon-Codierung
Die Signalverarbeitung im DVB-Encoder läuft für jeden Nutzkanal
des multiplexbaren MPEG-2/DVB-Pakets getrennt ab. Dabei werden analoge
Eingangssignale, z.B. ein TV-Kanal im Basisband und die dazugehörigen
Audiokanäle zunächst digitalisiert und nach dem MPEG-2-Standard
komprimiert. Datenkanäle können dabei direkt eingegeben werden.
Es gibt aber auch die Möglichkeit einer Umsetzung der anliegenden
MAC-Adressenpakete aus der Ethernetschnittstelle des Datenbus in DVB mittels
"Multiprotocol Encapsulation".
Abbildung 32: MPEG-2/DVB-Encoder und Modulator im GMD Satlabor
Im Multiplexer werden diese nun digitalisierten Signalanteile über ein Zeitmultiplexverfahren zusammengefaßt. Dabei erhöht sich die Ausgangsdatenrate des Multiplexers auf die Summe aller anliegenden digitalen Datenströme, so daß jedes Signal mit der ursprünglichen Datenrate im Empfänger wieder decodiert werden kann. Den Ausgangsstrom vom Multiplexer nennt man Transport Stream.
Um ein stabiles und gleichverteiltes Frequenzspektrum des DVB-Datenstrom zu erhalten, wird der Transport Stream bitweise mit dem Ausgang eines rückgekoppelten Schieberegisters verknüpft. Zu Beginn jedes achten TS-Pakets wird dabei das Register mit einem festgelegten Bitmuster neu initialisiert. Um dem Empfänger die Synchronisation zu ermöglichen, bleibt das Sync-Byte des Transport Streams unverschlüsselt. Zusätzlich wir bei jedem achten Paket das Sync-Byte invertiert. Dies dient der Synchronisierung der Empfängereinheit (Descrambler), die die Energieverwischung wieder rückgängig machen muß.
Abbildung 33: Signalwegdiagramm im DVB-Encoder und Modulator
Folgend durchläuft der TransportStream den äußeren Encoder, in dem die erste Fehlerschutzcodierung mit Hilfe eines verkürzten ReedSolomon-Code angewendet wird. Da ein DVB-TransportStream-Paket nur 188 Byte lang ist, werden die letzten 51 Stellen Null gesetzt und somit nicht übertragen. Folglich ergibt sich ein ReedSolomon(204,188)-Code, der bis zu acht fehlerhafte Bytes erkennen und korrigieren kann.
Danach durchläuft der TransportStream einen Faltungsinterleaver, der mit einer Tiefe von I = 12, der Basisverzögerung M = 17 und der Blocklänge N = I mal M = 204 Bytes, also einem ReesSolomon-codierten DVB-Frame, arbeitet. Dieser Interleaver sorgt dafür, daß die im ursprünglichen Datenstrom benachbarten Bytes mindestens um 204 Bytes auseinanderliegen.
Der innere Codierer oder Faltungscoder schließt sich als nächste Baugruppe an. Dieser arbeitet mit der Coderate R = ½ und den Generatorpolynomen G1 = 171(oktal) sowie G2 = 133 (oktal). Um diese Codierung möglichst flexibel zu gestalten und entsprechend der Bandbreite des zu Verfügung stehenden Kanals, kann der Datenstrom punktiert werden, woraus sich die unterschiedlichen Coderate ½ (unpunktier), 2/3, ¾, 5/6 und 7/8 ergeben. Der Ausgang des Faltungscoders liefert nun zwei Bitströme, die als I- und Q-Komponente weitergeführt werden.
Anschließend erfolgt eine Filterung, einerseits zur Bandbegrenzung der einzelnen Kanäle um Übersprechen zu verhindern, andererseits um ein Erfüllen des ersten Nyqvist-Theorems zu erreichen. Die Filtercharakteristik des gesamten Übertragungskanals ist laut Standard ein Nyqvist-Filter mit RaisedCosine-Charakteristik bei a= 0,35. Im Sender und Empfänger sollten aufgrund dieser Verzerrung des Signals die gleichen Filter verwendet werden. Die Filter der Satellitentransponder sind hingegen leicht breitbandiger, so daß es sich als günstig erwiesen hat, die Quadratwurzel aus der Gesamtcharakteristik, also SquareRootRaisedCosine-Filter, als Filterkurve zu verwenden. Die ist insbesondere bei Volltranspondervorwärtskanälen wichtig.
Die Modulation ist das letzte Glied in der Sendeaufbereitung des DVB-Signals und schließt sich folgend an. Die gefilterten Signale beider I- und Q-Datenströme werden nun einem 4-QPSK-Modulator zugeführt. Die Zuordnung der Bits zu den Zuständen im Phasenraum geschieht durch die Gray-Codierung, was dazu führt, daß nur ein Bit verfälscht wird, wenn infolge einer Übertragungsstörung eine Entscheidungsschwelle überschritten wird. Das modulierte hochfrequente Signal, meist liegt es im 70-MHz-Bereich vor, wird nun folgend an den Sender weitergeleitet.
Die Symbolrate, die via Satellit in QPSK übertragen wird, kann man dabei direkt aus der ursprünglich notwendigen Datenrate berechnen:
SR = 0,5 * DR * RS * (1 / VIT);
Mit:
SR = Ausgestrahlte Symbolrate
DR = Datenrate am Ausgang des Encoders
RS = Reed Solomon-Coderate (const. = 204 / 188)
VIT = Viterbi-Coderate
Als Beispiel möchte ich jetzt hier eine Datenrate von 8,192 Mbps betrachten, die als Nutzdatenmenge in den Encoder gespeist wird. Dabei muß der Encoder noch folgende zusätzlichen Daten implementieren.
Dateneingang: 8,19200 Mbps
TransportStreamOverhead (188/184): 0,17391 Mbps
SystemTiming (DVB Tables): 0,02375 Mbps
MultiplexerOverhead: 0,09133 Mbps
CA Overhead: 0,09926 Mbps
Necessary Margin: 0,01600 Mbps
Output DR: 8,59625 Mbps
Bei einer Viterbicoderate Von R = ¾ ergäbe dies eine Symbolrate von
SR = 0,5 * DR * RS * (1 / VIT)
= 0,5 * 8,59625 Mbps * 204/188 * 4/3 = 6,218 Msymbps.
QPSK-moduliert hat dieser 8,192 Mbps-Datenkanal eine DVB-Symbolrate
von 6,218 Msybps bei VIT ¾. Gemäß einer angenommenen
Schutzbandbreite von einem Faktor 1,3 würde dieser Datenkanal eine
Bandbreite von B = 6,218 MHz * 1,3 = 8,0834 MHz belegen.
3.2.1.1.3. Vom Demodulator zum Decoder
Nach dem Empfang der vom Satelliten abgestrahlten Signale müssen die Verarbeitungsschritte zur Kanalanpassung, die im Encoder stattgefunden haben, wieder rückgängig gemacht werden. Zwei wichtige Schritte sind dabei die Fehlerkorrektur nach Viterbi und die Rückgewinnung der Synchonisationsinformation.
Der QPSK-Demodulator gewinnt aus dem Eingangssignal die Trägerfrequenz zurück. Da die richtige Phasenlage unbekannt ist, wählt er ein der vier möglichen Vorgaben aus. Eine Korrektur der möglicherweise falschen Phasenlage kann im Demodulator nicht durchgeführt werden und wird je nach Phasenfehler in einem der folgenden Verarbeitungsblöcke, entweder im Viterbi-Decoder (für ± 90 Grad) bzw. im SyncByte-Detektor für 180 Grad, korrigiert.
Abbildung 34: Signalweg im DVB Demodulator/Decoder
Nach der Demodulation werden die Basisbandsignale der zweiten Filterung mit dem SquareRootRaisedCosine-Filter unterzogen. Damit wird das Übersprechen zwischen benachbarten Symbolen im Abtastzeitpunkt minimiert. Die Taktrückgewinnung erfolgt über eine einfache PLL-Schaltung.
Die erste Stufe der Fehlerschutzcodierung erfolgt in einem Viterbi-Decoder mit vorgeschaltenem Depunktierer. Der Decodierer sollte über einen 3dB-Softdecision-Algorithmus verfügen, die mit einem zwei dB geringeren Schwellenwert für den Carrier-To-Noise-Wert gegenüber einer Harddecision auskommt.
Der Decoder kann selbsttätig alle möglichen Parameter ermitteln, in dem alle möglichen Kombinationen und die möglichst kleinste Restbitfehlerwahrscheinlichkeit feststellt. Ist die Signalqualität ausreichend für eine erfolgreiche Codierung, so sind danach die Referenzlage für die Demodulation auf 180 Grad genau, das Punktierungsschema korrekt und somit die Synchronisation für die Depunktierung bekannt. Diese fließen in die Decodierung des TransportStreams ein. Falls der Schwellwert bei Empfang nicht überschritten wird, kann im TransportStream ein TransportErrorIndicator-Bit gesetzt werden. Somit wird den weiteren Verarbeitungsblöcken mitgeteilt, daß momentan keine Decodierung möglich ist. Nach dem Viterbi-Decoder reduziert sich der Datenstrom wieder auf eine Bitfolge.
Im anschließenden SyncByte-Detektor muß aus dem ankommenden Datenstrom das regelmäßig enthaltene SyncByte sowie das regelmäßig, jedes achte, invertierte SyncByte ermittelt werden, da für die weitere Verarbeitung des TransportStream die einzelnen DVB-Pakete sowie die 8-Bit-Struktur benötigt wird. Gleichzeitig kann noch die letzte Unsicherheit, ein Phasenfehler des Demodulators von 180 Grad, erkannt und korrigiert werden, wenn ein nichtinvertiertes und sieben invertierte SyncBytes auftreten. Zusätzlich erfolgt noch eine Acht-Bit-Seriell/Parallel-Wandlung, da die folgenden Operation nun byteweise ablaufen.
Vereinzelte Bitfehler im Datenstrom, die durch Rauschen im Übertraungskanal oder einem zu kleinen Carrier-To-Noise-Abstand vom Schwellwert verursacht worden sind, können vom Viterbi-Algorithmus erkannt und korrigiert werden. Treten jedoch zu viele Fehler auf, versagt Viterbi und es entstehen selbsterzeugte Fehlerbursts. Der Deinterleaver sortiert die Burstfehler nun zu einzelnen Bitfehlern um. Anschließend ist somit der ReedSolomon-Decodierer, bei weniger als acht falschen Bytes pro Paket, in der Lage, alle Fehler zu korrigieren. Falls dies nicht möglich ist, wird, wie beim Viterbi-Decoder, das TransportErrorIndicator-Bit gesetzt. Somit wird auch hier bei zu vielen Fehlern den weiteren Verarbeitungsblöcken mitgeteilt, daß momentan keine Decodierung möglich ist.
Im folgenden EnergyDispersalRemover wird die Energieverwischung rückgängig gemacht. Dazu wird das gleiche Schieberegister wie im Sender verwendet, welches durchdas invertierte SyncByte initialisiert wird. Anschließend liegt nun der reine DVB-Datenmuliplexstrom ohne Fehlerschutz und invertierten SyncBytes vor und kann somit den TransportStream-Demultiplexer und den folgenden Stellen zugeführt werden, in denen der Inhalt des Transportstreams wieder in Nutzdaten, z.B. IP-Traffic, gewandelt wird.
Durch die Flexibilität der DVB-Anwendung in Bezug auf das gesamte System wurde DVB in einem sehr breiten Spektrum entwickelt. Wie bereits oben erfahren, gibt es keine systembedingten Mindestzustände, bei denen die DVB-Codierung nicht funktionieren würde. Bei der Entwicklung von DVB und MPEG-2 als Kompressionstechnologie dachte man zunächst nur an das digitale Fernsehen.
Ein sauberes TV-Bild in MPEG-2/DVB-Codierung setzte man daher in etwa zwei Mbps an. Dies ist die Datenrate, die heute für die Übertragung via Satellit auch im Datenbereich die Schwelle zwischen Satellitenmodem- und DVB-Anwendungen beschreibt. Durch die aufwendige Fehlerschutzcodierung und den entsprechendem Zwang DVB-Tabellen und -flags auszustrahlen, wäre der Aufwand für eine Datenübertragung kleiner zwei Mbps zu groß.
Eine maximale Datenrate wird dabei von der Schnelligkeit der auf dem
Markt verfügbaren Receiver oder DVB-Karten vorgegeben. Momentan geht
diese allerdings nicht über eine Transponderbandbreite von 36 MHz
heraus. Die maximale Smbolrate, die auf einem solchen Transponder möglich
ist, beträgt dabei SR = 36 MHz / 1,3 = 27,692 MSymbps. International
hat man sich daher auf den Wert SRmax = 27,5 MSymbps pro Transponder
geeinigt, wobei durch gute Filtertechnologie 27,5 MSymbps heute auch über
33 MHz breiten Transpondern eingesetzt werden. Zusammen mit der oft verwendeten
Viterbicodierung ¾ ergibt sich daraus die DR zu 38,015 Mbps. Maximal
möglich, mit Viterbi 7/8 wäre eine DR von 44,350 Mbps. Bekannte
renommierte DVB-Karten oder Receiver haben daher ein Datenratenverarbeitungbereich
zwischen 1,5 Mbps und 45 Mbps.
3.2.1.3. Kosten
Der Aufwand für eine DVB-Vorwärtsübertragungsstrecke liegt durch die Normierung der DVB-Schnittstellen und die mögliche leichte Implementierung von Datenverkehr in bestehnde DVB-Plattformen im vernünftigen Bereich.
Um eine sinnvolle Kalkulation der Gesamtenstrecke zu überschauen, sind beide Seiten der Übertragungsstrecke zu betrachten. Dabei spielt der kostengünstige Empfang eines DVB-Transportstream in den Remotestationen die wichtige Rolle. Funktionierende DVB-Receiverkarten mit L-Band-Satelliteneingang und Datenausgang direkt auf den PC-Bus, sind bereits für etwa USD 250, Tendenz weiter fallend, heute zu bekommen. Als 19"-Einschubgerät sind DVB-Datenreceiverbausteine für etwa US$ 1000 zu beziehen. Diese Geräte haben , je nach Kundenwunsch unterschiedlich, wahlweise Ethernet-, Router- oder RS-422-Schnittstellen. Hersteller der PC-Karten sind die Firmen TELEMANN, ADAPTEC und SAGEM, ein 19"-Gerät bietet die Firma CROWN an.
Das Encodierungsgerät in der zentralen Hubstation kann heute mit entsprechender Routersoftware auf Industrie-PC-Basis und WindowsNT-Software für einen Preis von etwa US$ 30000, Tendenz fallend, erworben werden. Es bietet die Möglichkeit über direkten Zugriff die einzelnen angeschlossenen Netzwerke direkt über die IP-Adressen anzusprechen und die Datenmengen innerhalb des Carriers pro Station frei zu reglementieren. Dieses IPEDG der Firma LOGIC INNOVATIONS hat bereits einen fertigen RS(204,188)-codierten Transportstream am ASI-Interfaceausgang, so daß nur noch ein QPSK-Modulator die Viterbicodierung erzeugen muß. Solche Geräte sind für etwa US$ 8000 bei der Firma TIERNAN zu beziehen.
Einen anders funktionierendes System, in Zusammenhang mit dem 19"-Einschubgerät zum Empfang, bietet das IP-Gateway der Firma CROWN. Zum Preis von etwa US$ 25000 bildet das Gateway einen multiplexbaren DVB-Encoder für Datenverkehr mir einer 100-BaseT-Ethernetschnittstelle. Dieses Gerät kann problemlos in bestehende DVB-Plattformen intergriert werden.
Die Übertragungskosten für DVB-Strecken decken sich dabei
mit den flexiblen SMS-Transpondergebühren der Satellitenbetreiber,
da für die Durchführung von Verbindungen keine Bandbreitenbeschränkungen
als Systemvoraussetzungen auftreten. Durch die Stabilität und die
Möglichkeit des Empfangsbausteins den TransportStream nach einer Abschaltung
oder geänderten Parametern wieder selbst synchronisieren zu können,
schlagen an Personal nur die Installationskosten des Systems sowie ein
Manntag pro Monat für Wartungs- und Kontrollaufgaben zu Buche.
3.2.1.4. Zusammenfassung für MPEG-2/DVB
DVB-Applikationen bilden heute den Grundbaustein für digitale Satellitenkommunikation und -multimediaanwendungen im weltweiten Massenmarkt. Ohne die Kombination von MPEG-2-Kompression auf der Videoseite und die Ausstrahlung der Daten über DVB-konforme Systeme, würde der weltweite Erfolg von digitalem Fernsehen und damit die Grundlage für multimediale Anwendungen via DVB als "AddOn" nicht gegeben sein. Zusammenfassend möchte ich daher jetzt die Nachteile und Vorteile von DVB angeben.
Die Nachteile einer DVB-Übertragungsstrecke kann im Aufwand, der zur DVB-konformen Signalaufbereitung notwendig ist, gesehen werden. Im Vergleich zu einfachen QPSK-Modem-Verbindungen muß hier z.B. noch eine ReedSolomon-Schutzcodierung erfolgen, für die ebenso eine Investition getätigt werden muß.
Zudem kann DVB als Schmalbandanbidung nicht arbeiten. Durch die Vorgabe
von Tabellen und Flags, die ständig im Datenstrom mit ausgestrahlt
werden, kann DVB minimal mit einer sinnvollen Datenrate von einer amerikanischen
T1-Verbindung (= 1,554 Mbps) arbeiten.
3.2.1.4.2. Vorteile
Nutzungsspezifische Vorteile zur Auswahl von DVB als Übertragungsmethode im Vorwärtskanal sind hauptsächlich durch die Kompatibilität mit bereits bestehenden Satellitenkommunikationssystemen zu nennen. Der Breitbanddatenstrom des Vorwärtskanals kann so z.B. in eine DVB-Plattform integriert werden, daß ein TV-Programm des Pakets einfach durch den datenstrom ersetz wird. Für die Intergrität des DVB-TranspontStreams aus dem Muliplexer bedeutet dies keinen nennenswerten Unterschied.
Zudem sind auf der Kostenseite die DVB-Endgeräte so günstig und einfach handhabbar geworden, daß es heute bereits ausreicht, einen PC mit DVB-Karte zu betreiben, um den schnellen Datenkanal problemlos zu empfangen. Diese DVB-Karte mit Dateninterface sind heute im Fachhandel für unter DEM 500 zu erhalten.
Der Begriff ATM kommt von Asynchronous Transfer Mode und kennzeichnet die Technologie, die im sogenannten Breitband-ISDN eingesetzt wird. ATM ist heute das Grundmedium für Breitbandanwendungen auf dem Boden. Insbesondere Telefonservices, Datenanbindungen (Closed Usergroup oder Internet) und audiovisuelle Übertragungen werden ATM-gestützt heute Punkt-zu-Punkt über Glasfaser übertragen. Im folgenden möchte ich darlegen, welche technischen Eigenschaften ATM-Verbindungen besitzen und wie diese für Breitbandmultimediaverbindungen via Satellit nutzbar gemacht werden können.
Das Grundelement einer ATM-Verbindung ist der virtuelle Kanal (Virtual Channel). Es wird hier von einer virtuellen Leitung gesprochen, da ATM physikalisch gesehen, nicht leitungsorientiert, sondern paketorientiert arbeitet. Als Leitung wird hier nur der Weg angesehen, den die Pakete in der Punkt-zu-Punkt-Verbindung nehmen. Geräte in einer ATM-Verbindung nennt man ATM-Switch und Vermittlungspunkte im ATM-Netz ATM-Knoten.
Abbildung 35: Aufbau einer ATM-Zelle
Im ATM-Netz werden die Daten über den virtuellen Kanal in festen Zellengrößen übertragen. Eine ATM-Zelle umfaßt grundsätzlich 53 Bytes, wobei fünf Bytes auf den Header entfallen und 48 Bytes für Nutzdaten, dem sogenannten Payload, reserviert sind. Im Header werden die Informationen übertragen, die für den korrekten Informationsfluß zwischen dem Endnutzer und der Datenquelle sorgen sowie innerhalb des Netzwerkes für einen entsprechenden Informationsaustausch zwischen den einzelnen Switches benötigt werden.
ATM ist ein System, das speziell für Glasfaserstrecken entwickelt
wurde. Demnach sind, aufgrund extrem breitbandiger Möglichkeiten und
fast fehlerfreier Ausbreitung im ATM-Zellenaufbau keine Fehlerkorrekturmaßnahmen
vorgesehen. Dies muß, z.B. für Satellitenkommunikation, oder
fehleranfällige Leitungen beachtet werden.
3.2.2.2. Technischer Aufbau einer Übertragungsstrecke
Um ATM über Satellit auszustrahlen, sind einige Implementationen von ATM zu beachten und daher die entsprechend zusätzlich notwendigen Maßnahmen durchzuführen. Im folgenden möchte ich daher auf die entsprechenden Parameter und resultierenden Qualitäten der Satellitenausstrahlung eingehen.
3.2.2.2.1. Übertragungsparameter und nutzbare Bandbreiten
Die Übertragungsparameter für einen virtuellen ATM-Kanal via Satellit sind hauptsächlich von den Möglichkeiten des verwendeten ATM-Switches abhängig. Insbesondere sei hier die Flexibilität der Ausgangsdatenrate genannt, die im Folgenden schutzcodiert und moduliert wird. Dementsprechend muß ebenso Satellitenkapazität angemietet bzw. die korrekte Dimensionierung der zentralen Sendeeinheit betrachtet werden.
Normale Übertragungsparameter, ausgangsseitig eines ATM-Switches, sind die heute üblichen Normgeschwindigkeiten der amerikanischen T-Reihe und die der europäischen E-Reihe. Dies bedeutet in der Satellitenkommunikation aufgrund der momentan möglichen Gegebenheiten z.B. für T3 45 Mbps und für E3 34 Mbps. Nach Viterbi und ReedSolomon-Codierung sowie üblicher QPSK-Modulation ergibt sich für diese Geschwindigkeiten die Nutzung eines Volltransponders mit 36 MHz Bandbreite für Breitbandübertragungen. Geringe Datenraten, wie z.B. T2/E2 fallen für die Gesamtanwendung nicht ins Gewicht, da für die angesprochenen Breitband-Multimediaservices im Point-to-Multipoint-Verfahren mindestens 15 Mbps - 20 Mbps im Vorwärtskanal vorhanden sein sollten.
Für Kleinsysteme oder geschlossene Benutzergruppen kann auf T2 (sechs Mbps) oder E2 (8,448 Mbps) zurückgegriffen werden. Die Beschränkung der Flexibilität der ATM-Switches kann aber problematisch beim Übergang zu höheren Geschwindigkeiten, d.h. höheren laufenden Kosten, werden.
Höhere Übertragungsraten, wie z.B. 155 Mbps oder 622 Mbps,
können in der Satellitenkommunikation nur schwer realisiert werden,
da die heute existierende Transponderbandbreite von Satelliten bei maximal
72 MHz liegt. Der Vorwärtskanal könnte nur durch teure Kanalsplittinghardware
realisiert werden. Die Übertragungsparameter entsprächen dann
z.B. n*34 Mbps.
3.2.2.2.2. Qualität der Übertragung
Die Qualität der Übertragungsstrecke hängt von verschiedenen Faktoren ab. Ich möchte hier davon ausgehen, daß eine robuste Linkbudgetberechnung vorgenommen wurde, die alle notwendigen Parameter wie gewähltes Frequenzband, Verfügbarkeitsrate, Antennendimensionierung usw. betrachtet. Insbesondere die Auswirkungen bei auftretenden Fehlern und die notwendigen Schutzcodierungen sind hier erwähnenswert und finden folgend Betrachtung.
Für ATM-Netzwerke gilt allgemein, daß eine Bitfehlerrate
von BER < 10-6 als ausreichend zu betrachten ist. Diese Zahl
wird insbesondere in terrestrischen Netzen als Grenze der Operabilität
angesehen. Bei Satellitenübertragungen kann dieser Wert, bei entsprechender
Dimensionierung, durch QPSK-Modulation leicht erreicht werden. Bei einer
Übertragungsrate von E3 (34 Mbps) werden etwa 80000 ATM-Zellen pro
Sekunde übertragen. Bei einer mittleren BER = 10-6 entspricht
dies einer Rate von 0,08 unbrauchbaren Zellen pro Sekunde. Fehlerbehaftete
Zellen werden von den ATM-Switches erkannt und aus der Übertragungsstrecke
entfernt. Für Hochsicherheitsverbindungen, Studioanwendungen oder
Datentransfers müssen bessere Bitfehlerraten angepeilt werden, z.B.
BER = 10-11.
3.2.2.2.2.2. Schutzcodierungen
Durch weitergehende Schutzcodierungen können ATM-Strecken über Satellit besser und leistungsfähiger im Bezug auf die Fehlerwahrscheinlichkeit gemacht werden. In der Modulationstechnik wird hierbei der Ausgangsdatenstrom bei der QPSK-Modulation viterbicodiert und die Rohdaten mit einer ReedSolomon-Schutzcodierung versehen.
3.2.2.2.2.2.1. Viterbi
Der Viterbi-Algorithmus findet auch bei der Ausstrahlung vom ATM über
Satellit Verwendung. Die Datenabfolge gegenüber der Encodierung nach
DVB ist dabei genau gleich, da ebenso bei ATM die fertige ReedSolomon-codierte
Bitdatenabfolge in den Faltungscodierer gespeist wird. Einen spezifischen
Unterschied zwischen ATM und DVB konnte ich gemäß der jeweiligen
Anwendung nicht feststellen.
3.2.2.2.2.2.2. Reed Solomon
Die Sicherung von ATM durch eine ReedSolomon-Codierung, die aufgrund der Fehlerburstanfälligkeit von Viterbi bei fehlerhafter Decodierung notwendig ist, bildet ein größeres Problem bei der ATM-Übertragung als bei DVB.
ReedSolomon-Codierungen sind mit 28 Bytes implementiert worden und arbeiten mit einer Symbollänge von einem Byte. Ebenso wie bei DVB wird in der ATM-Technologie die Länge des Informationsbyteblocks dabei an die kleinste mögliche Framegröße des Systems angepaßt. Diese Notwendigkeit liegt in der notwendigen Flexibilität der ATM-Technologie in Zellenstruktur und in der Synchronisation. Demnach werden nur 53 Bytes der 256 möglichen verwendet, um eine ATM-Zelle als abgeschlossenenen Rahmen mit ReedSolomon zu schützen.
Um nun einen Burstfehler des Viterbi-Algorithmus korrigieren zu können, wird eine ReedSolomon-Symbollänge von acht Byte vorausgesetzt. Um acht Byte korrigieren zu können, müssen dafür die doppelte Menge an Korrekturbytes, also 16, eingesetzt werden. Somit ergibt sich eine ReedSolomon-Codierung für ATM-Anwendungen mit der Klassifizierung RS(69,53).
Da 16 Bytes als Overhead zum Schutz vor auftretenden Viterbiburstfehlern benötigt werden, hat der prozentuale Anteil der ersten Schutzcodierung gegenüber der Nutzdatenmenge einen Wert von etwa 30,1%. Dies bedeutet, daß eine E2-ATM-Strecke mit 8,448 Mbps ReedSolomon-codiert eine Datenrate von etwa 11 Mbps besitzt, die folgend übertragen werden müssen. Daher muß der Aufwand für diese notwendige und wirksame Schutzcodierung als beträchtlich angesehen werden.
Die Kosten für eine ATM-Übertragungsstrecke liegen wesentlich höher als im Vergleich zu anderen Möglichkeiten für Breitbandübertragungen wie z.B. DVB. Die Beständigkeit der ATM-Verbindung sowie die Anpassung von unterschiedlichen ATM-Systemen aneinander kann sogar ggf. die dauerhafte Präsenz eines Netzwerkingenieurs an jeweils einer ATM-Endstelle erforderlich machen. Hier sei insbesondere die Kompatibilität der ATM-Interfaces und Verbindungsaufbauarten zu nennen. Diese Problematik wurde bei einem praktisch durchgeführten "ATM via Satellit"-Betriebsversuch der GMD selbst erkannt.
Es ist daher anzuraten, daß beim Aufbau des multimedialen Breitbandnetzwerks Switchequipment in den ATM-Knotenpunkten von einer Herstellerfirma zu beschaffen ist. Hierbei kann die Möglichkeit bestehen, daß wichtige Bestandteile des Systems, da diese Problematik hinreichend bekannt ist und daher Großkunden auf eine Firma meist zurückgreifen, zu überteuerten Preisen angeboten werden.
Die Größenordnungen in der ATM-Technologie liegen bei etwa
70000 DEM pro ATM-Switch, Tendenz gleichbleibend, und etwa 2500 DEM pro
PC-Demodulatorempfangskarte, Tendenz sinkend, bzw. etwa 5000 DEM pro 19"
Empfangseinheit, Tendenz sinkend. Zusätzlich müssen für
die Satellitenausstrahlung ein Viterbi-QPSK-Modulator mit ATM-Schnittstelle
für etwa 10000 DEM, Tendenz gleichbleibend, und ein Reed Solomon Codierer
für etwa 20000 DEM, Tendenz gleichbleibend, beschafft werden.
3.2.2.4. Zusammenfassung für ATM
Im Folgenden möchte ich eine Zusammenfassung zur Anwendung der ATM-Technologie für satellitengestützte Breitbandmultimediaanwendungen geben. Diese werde ich insbesondere an den Vorteilen und Nachteilen der ATM-Technologie für Satellitenkommunikation festmachen.
Ein großer Vorteil des ATM-Systems liegt in der Kompatibilität der Netzwerkstruktur mit den existierenden bodengebundenen Breitbandglasfaserinfrastrukturen. Für eine Satelliten-ATM-Verbindung brauchen die ATM-Zellen der Übertragungsstrecke nicht decodiert werden; der ATM-Zellenstrom kann direkt auf die Satellitenstrecke aufmoduliert werden.
Bei existierenden lokalen Breitbandnetzen (LANs) innerhalb von Firmen, die nach der ATM-Technologie arbeiten, können so z.B. technisch einfach Filialstellen, die innerhalb der Satellitenausleuchtzone liegen, mit dem eigenen proprietären System angebunden werden.
Für breitbandige Punkt-zu-Punkt-Übertragungsverfahren via Satellit hat ATM durch die leichte Implementationsmöglichkeit in terrestrische Netzwerke Vorteile, da für die Fernübertragung die ATM-Signale nicht gewandelt werden müssen, sondern direkt verarbeitet werden können. Hierbei wird ein Switch am Anfang sowie am Ende der Leitung benötigt, der die Zellen entsprechend verarbeitet.
Ebenso ist ATM für die Übertragung von schnelleren Leitungen
(größergleich E4) via Satellit in Zusammenhang mit extrembreiten
Transpondern, wie z.B. die Ka-Band-Kanälen des amerikanischen Forschungssatelliten
ACTS, zu empfehlen. Hier gibt es keine technisch bessere Alternative bei
diesen Geschwindigkeiten.
3.2.2.4.2. Nachteile
Leider gibt es für die Nutzung der ATM-Technologie für Breitbandsatellitenkommunikation heute noch zu viele Nachteile, die insbesondere durch die Satellitennutzung Bedeutung erlangen. Daher ist ATM gegenüber DVB als nicht konkurrenzfähig im Satellitenbereich einzuordnen.
Im Bezug auf Hochgeschwindigkeitsübertragungen muß leider gesagt werden, daß es heute bislang keine funktionsfähigen und kommerziell genutzten Satelliten gibt, die über Breitbandtransponder für ATM mit E4/E5-Datenverkehr verfügen.
Zwei Punkte sind insbesondere anzuführen, die in der ATM-Technologie selbst liegen. Zum einen müssen hier die hohen laufenden Kosten genannt werden, da durch die Notwendigkeit des Netzwerk- und Switchsupports der Arbeitskrafteinsatz nicht ausgeschlossen werden kann. Bei der Nutzung von ATM-Breitbandanwendungen kann nicht vom "unbemannten Talsperrenbetrieb" ausgegangen werden.
Zum Anderen ergibt sich durch die Anwendung der ReedSolomon-Schutzcodierung, die für eine Verringerung der Ausgangsbitfehlerrate via Satellit zwingend notwendig ist, eine deutliche Verschlechterung des prozentualen Anteils zwischen Nutz- und Gesamtdatenaufkommen. Dies schlägt sich besonders bei der Betrachtung der laufenden Transponderkosten nieder, da, wie oben gezeigt, allein 31% der Gesamtdatenmenge für diese Schutzkodierung aufgewendet werden muß. Dies entspricht z.B. bei einem Ausgang von 8,448 Mbps einer Nutzdatenmenge von etwa 7,65 Mbps. Mit Reed Solomon codiert und QPSK VIT ½ für die Satellitenstrecke moduliert, ergibt dies eine Bandbreite, inklusive Schutzbandbreitenfaktor 1,3, von knapp 11 MHz * 1,3 = 14,3 MHz.
Im Bereich Kosten und Nutzen der Art der Vorwärtsstrecke muß die DVB-Technologie gegenüber der ATM-Technik deutlich vorgezogen werden. Besonders die gute Flexibilität und Kombinierungsmöglichkeit zwischen bestehenden MPEG-2/DVB-Verbindungen und möglichen zusätzlichen Multimedia-Anbindungen empfiehlt DVB gegenüber ATM bei Geschwindigkeiten bis einschließlich E3.
Dabei wird nicht nur die DVB-Technologie, die sich bereits weltweit als stabiler Standard für digitales Fernsehen durchgesetzt hat und besonders in den europäischen Ländern wie Frankreich, Spanien, Italien und Großbritannien bereits einen Massenmarkt bildet, als progressiv und vorteilhaft für Datenkommunikation angesehen, sondern auch durch die günstigen Remoteterminals und als kostengünstigste Point-to-Multipoint-Anlieferung von Multimediaanwendungen eingeschätzt.
Trotz der Kompatibilität des ATM-Netzwerks mit den terrestrischen Interfaces und Geschwindigkeiten, haben die Anbindungsmöglichkeiten der IP-Gateways durch die handelsüblichen Schnittstellen zu Netzwerken und Routern bereits jetzt den gleichen Stellenwert. Als Gegenpunkt kann sogar die durchaus einfache Handhabung der DVB-Gateways angesehen werden.
Im Bezug auf den Nettodatendurchsatz hat auch DVB im Vergleich mit ATM bei gleicher Transponderbandbreite die Nase vorn. Durch die Notwendigkeit der Reduzierung der ReedSolomon-Schutzcodierung auf die ATM-Zellengröße von 53 Bytes muß ein großer zusätzlicher Bandbreiteanteil, etwa 30,1%, als Kapazität gebucht werden. Im Vergleich hat DVB bei einer RS(204,188)-Codierung nur einen vertretbaren Overhead von 8,5% der Nettodatenmenge.
Als Ergebnis ist daher festzuhalten, daß ein Vorwärtskanal nach DVB-Codierung für die Anwendung von breitbandigen Multimediaservices zu empfehlen ist.
3.3. Rückwärtsübertragungskanal
Neben der ausführlichen Betrachtung des Vorwärtskanalsystems muß für die bidirektionale Anwendung der Übertragung von breitbandigen Multimediadiensten der Rückwärtskanal getrennt betrachtet werden. Eine gleiche Anwendung wie im Vorwärtskanal ist zwar möglich und bei speziellen Fällen auch anzuraten. Für die meisten Fälle in der Nutzung des Internets als Servicecarrier können aber weniger aufwendige und schmalbandigere Rückkanäle als systemkonform vorausgesetzt werden.
Durch die Möglichkeit der Point-to-Multipoint-Technologie in der Satellitenkommunikation können technisch unterschiedliche Modulations- und Kanalbündelungsstrategien hier aufgezeigt und angewendet werden. Ich werde daher im Folgenden auf Technologien eingehen, die einen möglichen, aber nicht notwendigen, Vielfachzugriff auf einen Transponder schildern. Dies umfaßt CDMA (Code Division Multiple Access), FDMA (Frequency Division Multiple Access) und TDMA (Time Division Multiple Access).
Die CDMA-Technologien (Code Division Multiple Access) oder auch SpreadSpektrum-Anwendungen, haben ihren Ursprung in der Militärtechnik. In den siebziger Jahren suchte man nach Möglichkeiten, bestehende schmalbandige Signalkanäle wirkungsvoll zu codieren und für den Gegner unlesbar bzw. im Frequenzband nicht erkennbar zu machen.
Das SpreadSprektrum-Verfahren hat sich dabei als günstig erwiesen. Das schmalbandig zu übertragende Datensignal, welches eine bestimmte Clockfrequenz hat (z.B. fs = 64 kbps), wird mit einem digitalen, nur einmalig existierenden und wesentlich höherfrequenten, gleichspannungfreien PseudoRausch-Signal (auch Goldsequenz genannt, fc = 36 MHz, dies entspricht der Bandbreite einer Transpondereinheit) multipliziert. Da dies ohne Verstärkung durchgeführt wird, bleibt die Fläche unter der Signalkurve im Frequenzbereich gleich, d.h. die Trägerleistung des 64 kbps-Carriers wird auf 36 MHz Bandbreite verbreitert. Die Information von 64 kbps hat somit eine Bandbreite eines Transponders und kann ausgestrahlt werden. Das C/N-Verhältnis des SpreadSpektrum-Signals kann dabei sehr nur sehr knapp über dem Rauschen nachgewiesen werden.
Bei der Demodulation des Signals wird taktsynchron die exakt gleiche
PseudoRausch-Signalfolge mit dem empfangenen Signal multipliziert. Am Ausgang
dieses Multiplizierers kann folgend das ursprüngliche 64kbps-Signal
wieder abgegriffen werden, da durch die Gleichspannungsfreiheit und die
Quadrierung des Codierungssignals mit den Zuständen -1 und +1 dieses
den Wert 1 als Faktor ergibt.
Abbildung 36: Funktionsweise von CDMA
Der Trick des multiplen Zugangs auf diesen Satellitentransponder ergibt sich aus der Möglichkeit, mehrere unterschiedlich codierte SpreadSpektrum-Sequenzen auf einem Transponder zu überlagern. Bei der Anwendung eines falschen, nicht identischen oder nicht korrekt synchronisierten PseudoRausch-Code im Demodulator kann das schmalbandige Datensignal nicht wieder regeneriert werden und verbleibt so als Rauschteppich am Ausgang des Demodulatormultiplizierers. Dies bedeutet wiederum, daß viele verschiedene und überlagerte CDMA-Signale lediglich das C/N-Verhältnis des gewünschten Ausgangssignals verschlechtern.
Die Transponderauslastung der CDMA-Signale ist vergleichsweise gering, besonders im Vergleich zu SCPC oder TDMA-Signalen. Dies liegt in dem hohen Bandbreitebedarf der SpreadSpektrum-Signale im Bezug auf die übertragene Nutzdatenmenge.
Können z.B. maximal 30 CDMA-Träger à 64 kbps gleichzeitig
über einen 36-MHz-Transponder, welcher eigentlich in reiner QPSK-Codierung
34 Mbps übertragen könnte, ausgestrahlt werden, ergibt dies eine
Auslastung von 30 x 64 kbps = 1,920 Mbps. Der Transponder wäre damit
im Vergleich zur reinen SCPC-Nutzung nur zu 5,6% ausgelastet.
3.3.1.2. Vorteile
Die Vorteile eines CDMA-Systems können in zwei Punkten deutlich festgeschrieben werden. Diese liegen in den physikalischen Übertragungsparametern des Kanals.
Zur Ausstrahlung des 36 MHz breiten Carriers ist dabei nur die Leistung des 64kbps-Trägers erforderlich. Das erforderliche Equipment bezieht sich daher ausschließlich auf die Erfordernisse der Ausstrahlung eines 64kbps-Kanals im Hinblick auf die Ausgangsleistung.
Die hohe Regenerativität und Störunempfindlichkeit der CDMA-Kanäle
im Demodulator sind ebenso wichtige Vorteile. Bei CDMA-Systemen können
selbst noch andere Träger, wie z.B. analoge oder digitale TV-Signale,
parallel über den gleichen Transponder ausgestrahlt werden. Gemäß
Messungen des Satellitenbetreibers EUTELSAT bewirken diese Überlagerungen
innerhalb des CDMA-Systems lediglich eine leichte Verschlechterung des
C/N vom demodulierten Signal, da diese Störträger nur als Breitbandrauschen
auf dem Satellitentransponder auftreten.
3.3.1.3. Nachteile
Gegenüber den durchaus beachtenswerten Vorteilen des CDMA-Systems haben die Anwendungen im Bezug auf die Verwendbarkeit in breitbandigen Multimediaübertragungen einige gewichtige Nachteile, die zum einen technischer Natur sind und zum anderen auch in der Kostenfrage Probleme bereiten.
Durch die Überlagerung der einzelnen CDMA-Kanäle auf einem
Transponder sinken die C/N-Werte der einzelnen Nutzdatenträger, da
alle weiteren ausgestrahlten Signale auf diesem Satellitentransponder als
Rauschteppich im Demodulator das Signal beeinflussen. Die Zahl der so zu
übertragenden Kanäle ist daher begrenzt, die Limitierung liegt
dabei im möglichen Gesamtlinkbudget für alle Carrier. Eine ausreichende
Übertragungsgüte kann bei solchen Systemen nur erreicht werden,
wenn die Zugangsanzahl von gleichzeitig sendenden Stationen begrenzt wird.
Eine Zahl von etwa dreißig gleichzeitig aktiven Stationen kann daher
als maximal angenommen werden.
Abbildung 38: CDMA-Bandbreitenbedarf
Die Transponderauslastung muß hier als negativer Punkt angesprochen werden. Durch das schlechte Auslastungsverhältnis zwischen Nutzdatenbandbreite und benötigter Transponderbandbreite geht im Vergleich zu den anderen Übertragungsformen TDMA, FDMA und SCPC viel Transponderkapazität für das Gesamtsystem verloren. Da der Transponder durch die technische Verbreiterung des Nutzkanals von 64 kHz auf 36 MHz bereits voll belegt ist und für eine maximale Anzahl von CDMA-Signalen genutzt werden soll, kann dieser auch nicht mehr weiterverkauft werden. Dies bedeutet, daß bei der Wahl eines CDMA-Systems für den Rückkanal bereits zu Beginn der gesamte Transponder von der Satellitenbetreibergesellschaft angemietet werden muß. Im Vergleich zum FDMA- oder TDMA-Verfahren, bei denen auch Teiltransponder genutzt werden können, muß die Verwendung von CDMA im Rückkanal zu Beginn der operationellen Phase als wesentlich kostenintensiver kalkuliert werden.
Das FDMA-Verfahren nach "Frequency Division Multiple Access" benutzt den Vielfachzugriff auf einen Transponder nach einer anderen Strategie als CDMA. Als primäres zur Verfügung stehendes Element wird bei FDMA die Frequenzachse genutzt. Alle Carrier in einem FDMA-System senden zeitunabhängig und haben eine feste Frequenz vorgegeben bekommen, die ständig in einer festen Bandbreite genutzt wird.
Demnach gibt es zwei Faktoren als begrenzende Elemente innerhalb eines FDMA-Systems. Durch den Zugriff auf den Transponder mit vielen Trägern wird das entstehende Intermodulationsprodukt zu beachten sein. Eine Verringerung der Sendeleistung der entsprechenden Einzelträger, d.h. die Einführung eines InputBackOffs, muß durchgeführt werden, um den Ausgang der Wanderfeldröhre möglichst im linearen Bereich zu betreiben. Daraus ergibt sich die mögliche Notwendigkeit eines großen OBO-Werts, der auf das Linkbudget und die an das Multimediasystem angeschlossenen kleinen VSAT-Stationen Einfluß hat. Bei unkluger Planung wird es also ggf. möglich sein, daß der Aufbau einer Verbindung mit dem gleichen Equipment gegenüber Schmalband-SCPC aufgrund der hohen IM-Werte oder der hohen OBO-Werte nicht möglich sein wird.
Abbildung 39: FDMA-Transpondernutzung
Der zweite Faktor ist die Begrenzung an Bandbreite durch den Transponder selbst. In der Kombination mit einem breitbandigen Vorwärtskanal, z.B. 25 MHz inklusive Schutzbandbreite, verbleiben für die Rückkanäle auf einem 36 MHz breiten Transponder nur noch 11 MHz nutzbare Raumkapazität. Demnach können, bei anzunehmenden Rückkanälenen von 256 kbps (gleich 0,333 MHz Bandbreitenbedarf bei VIT ½ und zu berücksichtigendem Schutzband) nur 33 Rückkanäle auf diesem Transponder frequenztechnisch plaziert werden.
Aber selbst diese theoretische Zahl wird wohl nicht erreicht werden können, da für die anzustrebende kleine Schüsselgröße der VSAT-Antennen, bei insgesamt 34 Carriern auf dem Transponder der anzuwendende OBO zu groß wird. Hierbei sind z.B. die unterschiedlichen G/T- und EIRP-Werte des Satelliten im Bezug auf die einzelnen Remotestationen zu nennen. VSATs, die am Rand der Satellitenausleuchtzone liegen, fallen also als erstes durch.
Die Transponderauslastung muß bei FDMA-Systemen von zwei Seiten betrachtet werden. Zum einen spielt die prozentual genutzte Bandbreite auf dem Transponder eine Rolle, zum anderen muß die prozentuale Leistungsauslastung der Wanderfeldröhre im Satelliten beachtet werden.
Bei hoher Beitbreitenauslastung, d.h. vielen Carriern, die alle gleichzeitig über diesen Transponder senden, muß das Problem des niedrigen Carrier-To-Noise-Verhältnisses beachtet werden, da der HPA mit einem großen Backoff im fast linearen Bereich arbeitet. Eine besonders sorgfältige Marginberechnung ist nötig.
Eine hohe Leistungsauslastung des Transponders hingegen, da. z.B. mit dem Vorwärtskanal auch noch Stationen am Rand der Ausleuchtzone erreicht werden müssen, kann ein hohes IM-Rauschen auf dem Transponder verursachen. Dies beeinflußt wiederum den ganzen Transponder, so daß die Rückkanäle im genannten Fall eine noch größere EIRP brauchen, um den gewünschten Carrier-To-Noise-Wert zu erzielen.
Abbildung 40: FDMA-Zeit- und -Frequenzbedarf
Durch eine sinnvolle Kombination aus beiden Punkten kann man jedoch
einen guten Kompromiß bekommen, so daß die Auslastung sehr
hoch werden kann. Bei einer sinnvollen Belegung und Planung des Transponders
im VSAT-Bereich können somit jeweils bis zu 80% in der Frequenz- und
Leistungsebene des Transponders errericht werden.
3.3.2.2. Vorteile
Die Vorteile des FDMA-Systems liegen speziell in der Einfachheit des Systemaufbaus. Der eigentliche regulierende Faktor ist dabei, nach einer effizienten Berechnung und Zuteilung von Bandbreite, einzig die Ausgangsleistung der jeweiligen Verstärkereinheit sowie die zugehörige Leistungsfähigkeit des ankommenden Vorwärtskanals.
Die Anpassung des FDMA-Systems kann daher in Form von Auslastung und IM-Rauschleistung primär durch die Leistungen der Träger beeinflußt werden und braucht keine teure Software oder Kanalaufbereitung. Eine Programmierung der Sendeleistung eines besimmten Carriers ist also bei der Installation und dem Einmessen durch das Kontrollzentrum des Satellitenbetreibers möglich und braucht im Normalbetrieb nicht mehr zu kontrolliert werden. Eine wirksame Kostenreduzierung, besonders während des Betriebs, ist daher möglich.
Aber auch die Investitionskosten für den Betrieb einer VSAT-Station
im Bereich des HPA fallen bei einem FDMA-System geringer aus. Aufgrund
des hohen OBO kann in Kombination mit einem guten Gewinnwert des Reflektors
die aufzuwendende Sendeleistung des HPA-Bausteins im VSAT-Terminals reduziert
werden. Die Kosten für 0,5 Watt und zwei Watt SSPA liegen naturgemäß
deutlich unter jenen mit acht oder 16 Watt Ausgangsleistung.
3.3.2.3. Nachteile
Die Nachteile von FDMA-Systemen können an zwei Punkten zusammengefaßt werden. Zum einen muß trotz einer guten Berechnung und der entsprechend zugeteilten EIRP des Satelliten mit einem OBO gerechnet werden, der einen entscheidenden Einfluß auf eine mögliche Reduzierung der Reflektorgröße durch die Anwendung von Schutzcodierungen hat. Dies hat zur Folge, daß möglicherweise größere G/T-Werte in den VSAT-Antennen zum Empfang des Vorwärtscarriers notwendig sind. Höhere Anfangsinvestitionen können hier möglich sein.
Abbildung 41: OBO/IM-Verhältnis im Bezug auf das Gesamtlinkbudget
Weiterhin muß die Begrenzung der Anzahl der möglichen Carrier
auf einem Transponder als regulierender Maßstab angesprochen werden.
Zur Durchführung eines größeren Point-To-Multipoint-Gesamtsystems
kann, z.B. 30 Carrier als maximal mögliche Anzahl für den Rückkanal,
eine Beschränkung in der Anzahl nicht zugelassen werden. Da FDMA hier
keine weiteren Alternativen zur Transpondernutzung als die Buchung eines
weiteren Kanals, oder Teilkanals, zuläßt, muß daher mit
möglicherweise doppelt so hohen laufenden Kosten gerechnet werden.
TDMA beschreibt den Vielfachzugriff zu einem Satellitentransponder durch Zeitmultiplex, d.h. nur eine Station sendet hierbei in einem kurzen Zeitfenster auf einem bestimmten Transponder oder einem Teil davon. Nach Ablauf dieses Zeitfensters benutzt eine weitere Station diesen Kanal mit den gleichen Frequenz- und Datenübertragungsparametern, ebenfalls auch nur für einen vordefinierten Zeitslot. Diese Abfolge wird nun mit weiteren Stationen wiederholt, bis die vorgegebene Gesamtrahmenzeit erreicht ist. Folgend wird von einer im TDMA-System befindlichen Kontrollstation ein Synchronisationsimpuls ausgestrahlt, der zur zeitlichen Steuerung der angeschlossenen Stationen dient. Anschließend kann mit dem nächsten TDMA-Rahmen begonnen werden und die erste Station kann ihren Zeitslot neu belegen.
Abbildung 42: TDMA-Signalaufteilung im Bezug auf Zeit und Frequenz
Der Empfang des gesamten TDMA-Signals erfolgt dabei an jeder Station, da alle Signale ja nacheinander auf dem Übertragungskanal ausgestrahlt werden. Im Fall der Implementierung eines TDMA-Systems als Rückkanal für breitbandige Multimediadienste, muß der Rückkanal allerdings nur von der zentralen Hubstation empfangen werden. Diese kann gleichzeitig als Synchronisationsstation arbeiten, so daß die Systemkontrolle, Konfiguration und Überwachung des TDMA-Rahmens dort möglich ist.
Da grundsätzlich immer nur eine Station kurzzeitig sendet, können alle Stationen mit der maximalen Energie senden, die für diesen Übertragungskanal vorgesehen ist. Bei der Belegung eines gesamten Transponders ermöglicht es die TDMA-Technologie, daß der Übertragungskanal ohne BackOff betrieben werden kann. Hiermit ergibt sich für das Linkbudget, welches nur einmal für den Betrieb des Systems auf der Transponderseite berechnet werden muß, eine deutliche Leistungsreserve im Vergleich zu den Einzelträgern im FDMA-System.
Zur Steuerung der TDMA-Stationen ist gegenüber anderen kontinuierlichen Übertragungsformen deutlich mehr Aufwand erforderlich. Zum einen muß eine stabile Software zur Erkennung des Synchronisationsimpulses und zur Steuerung der An- und Abschaltung des Trägers in jeder Station verfügbar sein, zum anderen müssen während der Zeit, in der keine Verbindung besteht, ankommende Daten zwischen gespeichert werden.
Durch die softwareabhängige Steuerung von flexiblen TDMA-Slots der angeschlossenen Remotestationen erhält man ein TDMA-DAMA-System, welches gegenüber den festzugeordneten TDMA-Slots flexible, steuerbare und adressierbare Zeiteinheiten für die Rückkanalnutzung vorsieht. Bei einer Implementierung eines solchen Systems, welches natürlich auf die Steuerungsmöglichkeit seitens der Zentralstation angewiesen ist, kann sogar noch flexibler auf momentane Verkehrsspitzen reagiert werden und somit, im krassen Gegensatz zu den terrestrischen Services, diese problemlos übertragen werden, da nicht alle Stationen gleichzeitig ein so hohes Datenaufkommen im Rückkanal benötigen.
Abbildung 42a: Fixed TDMA- sowie DAMA-TDMA-Applikation
Die Transponderauslastung ist bei TDMA-Rückkanalsystemen gegenüber den weiteren MultipleAccess-Anwendungen wesentlich höher. Da grundsätzlich bei diesem System ja im Zeitmultiplexverfahren gesendet wird, kann der Rückkanaltransponder oder -teiltransponder grundsätzlich in der vollen zustehenden Leistung und mit der vollen zustehenden Bandbreite genutzt werden.
Dies bedeutet z.B., daß bei der Nutzung eines Volltransponders als Rückkanal für den Breitband-Multimediadienst kein OBO beachtet werden muß und somit der Transponder in voller Leistung von der zentralen Hubstation empfangen werden kann. Bei der Nutzung eines Teiltransponders braucht somit auch nur der OBO des gesamten TDMA-Systems von jeder einzelnen Station beachtet werden.
Abbildung 43: Zeitslotzuweisung in einem TDMA-System
Im Vergleich zu FDMA- und CDMA-Systemen kann man die Durchsatzrate des
TDMA-Systems, besonders bei DAMA-Implementierungen, pro Station sehr hoch
werden, da die jeweiligen Rückkanäle auf die volle Bandbreite
zurückgreifen. Wenn z.B. die Übertragungszuweisung für nur
80 Millisekunden an eine Station vergeben wird, können bei angenommenen
36 MHz-Bandbreite, abzüglich Schutzfaktor 1,3 gleich 27,5 Mbps bei
VIT ½, etw 2,2 Mb an Rückkanaldaten übertragen werden.
3.3.3.2.Vorteile
Die Vorteile von TDMA-Systemen liegen in der hauptsächlich in der Fähigkeit mit geringem Transponderaufwand eine große Zahl von Stationen anbinden zu können. Durch den zeitlich aufgeteileten Übertragungskanal kann jede Station in ausreichender Bandbreite, besonders bei der Betrachtung von DAMA-Anbindungen, Daten über den Rückkanalübertragen. Durch die möglichen hohen Carrier-To-Noise-Werte, da ja der TDMA-Kanal zeitlichbegrenzt jeweils nur von einer Station genutzt wird, kann sogar die Verfügbarkeit heraufgesetzt werden.
TDMA-Systeme sind in ihrer Technik und Verfügbarkeit ausgereizt und seit vielen Jahren bereits verfügbar. Erste TDMA-Übertragungen via Satellit wurden in den siebziger Jahren über Intelsat-III- und -IV-Satelliten zur Telefonieübertragung kommerziell genutzt. Die verwügbare Steuersoftware ist dabei stabil einsetzbar.
Abbildung 44: Vergleich TDMA-Uplink und -Downlink
Das TDMA-System hat im Bereich von breibandigen Multimediaanwendungen dann einen ganz großen Vorteil, wenn viele Stationen angebunden werden sollen. Eine bessere Transponderausnutzung sowie geringere Anschaffungskosten, da ja nur eine Demodulationseinheit in der Hubstation benötigt wird, können so ab einer bestimmten Zahl von Remotestationen vereinfacht realisiert werden.
Im direkten Vergleich zu FDMA bietet TDMA auf der gleichen Transponderbandbreite
eine mögliche höhere Gesamtdurchsatzrate pro Station an. TDMA
operiert trotz Schutzzeiten zwischen den einzelnen Sendeslots der Stationen
mit voller Bandbreite und belegt daher das gesamte, für den Rückkanal
koordinierte, Frequenzband. FDMA-Träger müssen jeweils einzeln
und unabhängig mit Schutzbandbreite belegt werden und bieten grundsätzlich
keine Flexibilität.
3.3.3.3. Nachteile
Die heutigen TDMA-Systeme haben insgesamt gesehen einige Nachteile, die dieses Rückkananlverfahren für breitbandige Multimediaverbindungen erst ab einer hohen Anzahl von angeschlossenen Remotestationen sinnvoll machen. Zum einen muß hier auf die Kosten des Systems hingewiesen werden, wobei der Großteil dieser Ausgaben nicht auf das bekannte TDMA-Modem entfallen, sondern vielmehr von der Steuerungssoftware geschluckt wird.
Zudem kann es, je nach Komplexität des anzuwendenden und gewünschten TDMA-Systems bei Einschalten einer neuen Zugriffsstation eine Problemmöglichkeit in der Zeitslotsysnchronisierung geben. In gewissen Fällen ist dabei eine "Vor Ort"-Justierung des Zeitslots in den Remotestationen notwendig. Da dies als Kostenfaktor für ein weit verbreitetes, z.B. europaweit operierendes, Multimediasystem via Satellit nicht tragbar ist, muß dieses Problem von der Steuerungssoftware in der Hubstation erledigt werden und somit auch in der VSAT-Einheit über Software zur Konfiguration erkannt werden können. Die Entwicklungsarbeit hierfür, da eine Gesamtkonfiguration notwendig ist, muß als ernorm und kostenaufwendig angesehen werden.
Störer haben im Gegensatz zu den unterschiedlichen FDMA-Trägern bei TDMA-System mit einem Sender das gesamte System zu stoppen, da, wie obern bereits mehrfach erwähnt, das Signal grundsätzlich mit der vollen Bandbreite ausgestrahlt wird. Somit werden von einem kontinuierlich und frequenzgenauen Störer nicht eine Station, sondern das gesamte System beeinflußt.
Die zu nutzende Technologie im Rückkanal unterscheidet sich gegenüber derjenigen des Vorwärtskanals erheblich. Durch die Vielzahl der möglichen Rückkanalstationen in einem breitbandigen Multimediasystem via Satellit ist es notwendig eine ganz bestimmte Art des multiplen Zugriffs anzuwenden und die entsprechenden Kosten und Nutzen abzuwägen.
Als Zusammen fassung möchte ich daher die folgenden Punkte angeben:
4. Protokollarten in der Multimediaübertragung
Die Protokollarten, die für multimedialen Übertragungen bei Datenfernübertragungen via Satellit in Frage kommen und in solchen Services genutzt werden können, möchte ich im folgenden Abschnitt darlegen. Die Protokolle sind dabei wietgehend identisch mit den heute bereits genutzten. Aufgrund der notwendigen Kompatibilität mit den existierenden PC-Systemen, die ja zu einem Großteil mit den Microsoft-Programmen WINDOWS als Betriebssystem laufen, muß man mit diesen Protokollen arbeiten.
Eine Inkompatibilität mit den bestehenden Computern und deren installierten Betriebssystemen auf der Endkundenseite steht hier eindeutig nicht als Alternative zur Verfügung, weil sonst eine große Verbreitung des angestrebten Multimediaservices nicht realisierbar wird. Die Akzeptanz würde dabei auf einer experimentellen Nutzerschicht, die von einigen "Computerfreaks" ausgefüllt wird bleiben.
Für die Anlieferung Daten zu den Endkunden kann daher auf die Protokoll-Familie TCP/IP nicht verzichtet werden. Diese Protokollart wird heute als Standard für einen Internetaccess zu Internet Service Providern genutzt und müssen daher auch für einen breitbandigen Multimediaaccess verwendet werden. Die beiden meist genutzten Untertypen, die mehr als 98% allem generierten Telekommunikationsverkehr auf einer Internetverbindung ausmachen, sind TCP/IP und UDP, welche in den nächsten Abschitten in Funktionsweise und Nutzung erklärt werden.
Das TCP/IP (Transmission Control Protocol) wurd dazu entwickelt, einen Bitstrom sicher von einem Computer zu einem weiteren über einen möglicherweise unzuverlässigen Netzverbund zu übertragen. Durch die grundsätzlich unterschiedliche Topologie der angeschlossenen Netzwerke auf beiden Seiten eines Internetsystems oder unterschiedlichen geschlossenen Nutzerbereichen, muß daher grundsätzlich mit einer möglichen Verfügbarkeitsunterberchnung gerechnet werden.
Jeder Computer, der TCP/IP als Protokoll benutzt, hat eine TCP-Transport-Instanz.
Diese nimmt die Benutzerdaten von lokalen Prozessen entgegen und teilt
sie in Einheiten von höchstens 64 kB, der Standardwert liegt bei 1,5
kB. Diese Einheiten werden folgend an an das IP-Teilprotokoll übergeben,
welches während der eingentlichen Datenübertragung verwendet
wird.
Abbildung 45: Zeitablauf zwischen den Stationen bei Verbindungsaufbau
Auf der Empfängerseite kommen die IP-Daten mit den TCP-Inhalten (inklusive Adreßheader) an und werden von TCP-Protokoll verarbeitet. IP gibt dabei keine Garantie, ob die TCP-Pakete richtig zusammengestellt und zeitrichtig übertragen wurden, da das Netzwerk ja grundsätzlich als unzuverlässig angesehen werden muß. TCP hat somit die Aufgabe, Timeouts für die Übertragung zu vereinbaren und Daten, bei auftretenden Fehlern jeglicher Art, nochmals auszusenden.
Das TCP/IP-Protokoll ist heute das weltweit verwendete Internetprotokoll
zur gesicherten Übertragung von Daten mittels einer Kontrolle des
Informationsflusses auf mögliche Übertragungsfehler. Bei der
Übertragung von Files, HTML-Seiten, u.ä., d.h. bei Daten, die
auf keinen Fall in einem Bit von dem Inthalt der Quelle abweichen dürfen,
wird das TCP/IP-Protokoll heute weltweit für Internetverkehr angewendet.
Auch innerhalb von geschlossenen Nutzergruppen wird das TCP-Protokoll für
die Übertragung von Daten angewendet, da es die leichteste und sicherste
Übertragungsart bei fehlerbehafteten Leistungen darstellt.
4.1.2. Funktionsweise
Die Funktionsweise von TCP/IP möchte ich hier nicht detailliert wiedergeben, dies würde bei einer genauen Darlegung den Umfang dieser Diplomarbeit bei Weitem überziehen. Trotzdem möchte ich sehr wohl auf die Grundlagen einer TCP-Verbindung eingehen, welche, insbesondere bei Satellitenkommunikations-verbindungen, eine spezielle Situation meistern muß.
Wenn ein Computer Daten von einem anderen zu sich übertragen möchte, muß an die Datenquelle zunächst eine Anfrage zum Verbindungsaufbau gestellt werden. Dies geschieht durch ein "Handshake" zwischen den korrespondierenden Computern mit einer entsprechenden gegenseitigen Zuweisung eines Datenports zum Abschluß.
Nach dem erfolgreichen Aufbau der Verbindung können nun Daten transferiert werden. TCP arbeitet zur Sicherung der Datenpaket mit sogenannten "Acknowledgements" (ACK), die vom Zielcomputer an die Datenquelle als Bestätigung zurückgesendet werden, daß das entsprechend ausgesendete Datenpaket fehlerfrei angekommen ist. Wenn dies nicht der Fall sein sollte, da das Netzwerk überlastet ist oder auf dem Ethernetlevel eine Kollision stattgefunden hat.
Am Anfang besteht dabei das Datenfeld eines TCP-Frames lediglich aus einem einzigen Byte. Wenn das ACK nun an der Datenquelle angekommen ist und damit das ausgesendete Datenpaket bestätigt wird, erhöht der sendende Computer die Größe des Dateninhalts um den Faktor "Hoch Zwei". Es erfolgt als eine Erhöhung der Datenpaketgröße auf zwei, vier, acht ,16, 32, 64, 128, etc. Bytes zu Beginn der Datenübertragung. Die maximale Größe des Datenpakets ist dabei in der Windows-Registration eingetragen und beträgt im unverändertem Fall 8192 Bytes (= 213 Bytes).
Wenn nun ein Fehler in der TCP-Verbindung vorliegt und ein beliebiges Paket einer Datenübertragung innerhalb eines bestimmten Zeitrahmens nun nicht bestätigt wird, halbiert der Sender die momentane Datenpaketgröße und sendet sie entsprechenden Daten nochmals aus. Bei einer jetzigen Bestätigung des Pakets durch ein Acknowledgement wird die Paketgröße folgend allerdings nicht mehr exponentiell gesteigert, sondern linear.
Für auftretende Fehler innerhalb einer TCP-Verbindung können folgende Ursachen möglich sein:
Das Ende einer Übertragung im TCP-Verfahren wird durch zwei Möglichkeiten erreicht, entweder durch Abbruch der Übertragung oder durch das Datenende der gewünschten Quelle. Ein Abbruch kann entweder durch Benutzereingriff oder durch eine netzabhängige Störung erfolgen. Diese Störung wird von dem anfragenden Computer registriert, wenn keine Datenpakete innerhalb einer bestimmten Zeit mehr eintreffen, sowie vom aussendenden Computer bemerkt, wenn innerhalb eines vorgegeben Zeitraums keine Acknowledgements mehr eintreffen. Ein Eingriff durch den Benutzer erfolgt z.B. durch Betätigung des Stopbuttons im Internetbrowser oder durch Schließung des Programms.
Bei ausgezeichneter Güte einer Verbindung, kann es allerdings möglich sein, daß Datensegmente aus der TCP-Übertragung wegen fehlender Resourcen im Datenpuffer nicht mehr angenommen werden können. Daher wurd für TCP eine Flußsteuerung implementiert. Diese emöglicht es folglich, daß nur soviele Datenpakete ausgesendet werden, wie der Empfäger aufnehmen kann. Diese Steuerung ist insbesondere für Satellitenkommunikation interessant, da für eine TCP-Verbindung vom Sender über den Empfänger zurück zum Sender eine Mindestlaufzeit von theoretisch 477,15 ms, praktisch hier in Europa mit Computerrechenzeit eine Laufzeit von durchschnittlich 560 ms, benötigt wird.
Speziell durch die Nutzung der Breitbandtechnologie über Satellit
hat sich dabei folgendes Problem ergeben. Durch große Anzahl der
acht kB großen Pakete, die breitbandig über den Vorwärtskanal
ausgestrahlt wurden und durch die "lange" Laufzeit bei der Datenquelle
noch nicht bestätigt sind, füllen dabei die zur Verfügung
stehenden Ressourcen aus. Eine wesentlich langsamere Verbindung (zwischen
80 und 250 kbps) als theoretisch aufgrund der zur Verfügung stehenden
Bandbreite auf dem Satelliten (z.B. 2 Mbps) pro Übertragungsversuch
ist somit gegeben. Durch Forschungsarbeit hier in der GMD und in Zusammenarbeit
mit anderen Instituten (z.B. über NASA Internet Newsgroups) konnten
hier Erfolge und Verbesserungen erzielt werden.
4.1.3. Auswirkungen durch Latenzzeiten mit implementierten RFCs jetzt vernachlässigbar
Ein besonderes Augenmerk wurde dabei insbesondere auf die überlaufenden TCP-Puffer durch die Speicherung der vielen aufeinanderfolgenden Paketbezeichnungen mit fehlenden Acknowledgements geworfen. Diese Daten haben dabei den Puffer blockiert und keine weiteren Datenfester auf der ankommenden Seite mehr zugelassen.
Das Problem konnte hauptsächlich mit der Implementierung von größeren Festern als nur maximal 8 kB gelöst werden, da nun weniger Fenster innerhalb des gleichen Zeitraums übertragen werden und gleichzeitig die Datenrate, im Vergleich zur vorherigen Situation fast gleichbleibt. Die Vergrößerung der Fester wurde dabei von den Fähigkeiten des neuen Micorsoft-Bestriebssystems Windows98 begünstigt, da dieses, als erstes Produkt für den Massenmarkt, durch die Implemtierung der Forderungen der RFC 1323 größere Fenster als 8 kBps im TCP-Protokoll zuläßt.
Hier in der GMD wurden im Bereich dieser Forschungssituation die besten Ergebnisse erzielt, wenn für die Kombination zwei Mbps/256 kbps über Satellit eine Fenstergröße von 131,072 kB (= 217 Bytes) zur Verfügung gestellt wird. Der Nachteil von vergrößerten Festern liegt im Verlust der einzelnen Frames, da jetzt hierbei nicht mehr acht kB, sondern 131 kB verlorengehen. Die Schwankung in der durchschnittlichen Geschwindigkeit ist also wesentlich höher, die mittlere Geschwindigkeit kann aber für TCP jetzt bis zu 95% der zur Verfügung stehenden Bandbreite betragen.
Das "User Datagramme Protocol" (UDP) basiert auf ähnlichen Aufbauweisen wie das TCP-Protokoll, verzichtet allerdings auf das, für TCP und dessen angestrebte Datensicherheit wichtige, Acknowledgement vom Empfänger. Demnach gehört UDP zu den verbindungslosen Protokollen, da nur der Einschalt- und der Ausschaltbefehl eines zu übertragenden Datenstroms vom Empfänger zum Sender geschickt wird. UDP-Datenübertragungen können daher im weiteren Sinne mit digitalem Fernsehen oder Radio verglichen werden, da hier bei nur eine unidirektionale Verbindung bestehen muß.
Aufgrund fehlender Bestätigungen kann UDP nicht zum garantiert richtigen und kompletten Datentransfer, wie z.B. für Files, eingesetzt werden. Der UDP-Mechanismus läßt sich daher natürlich nur für unkritische Anwendungen einsetzen, so z.B. für Streaming-Anwendungen wie Radio- oder TV-Übertragungen, die zwar eine unterschiedliche, feste Bandbreite innerhalb eines Systems je nach Qualität benötigen, allerdings eine kurzzeitigen Störung, z.B. ein falsches Pixel oder eine kurze tonfarbenänderung bei der Darstellung, durch ein fehlerhaftes Paket akzeptieren.
Für multimediale Breitbandsysteme sind UDP-Anwendungen, wie z.B. die Möglichkeit qualitativ hochwertige Videokonferenzen (z.B. 384 kbps) zu übertragen oder ein Radioprogramm in CD-Qualität (z.B. 256 kbps) auszustrahlen, von hoher Bedeutung. Nur über diese Infrastrukturen kann man mit hoher Datengeschwindigkeit und UDP-Nutzung diese Services individuell abrufen und nutzen.
4.2.2. Funktionsweise
Folgend beginnt der Sender einen fortlaufenden Datenstrom von Paketen mit einer vorgegebenen festen Geschwindigkeit zu generieren und an die Adresse des anfragenden Computers zu schicken. Dieser entfernt den UDP-Header und leitet den empfangenen Datenstrom direkt der Anwendung im Computer zu.
Abbildung 47: UDP-Header
Wenn die zu übertragene Bandbreite für eine Anwendung z.B. 384 kbps beträgt, aber der Übertragungskanal nur eine geringere Bandbreite (z.B. 256 kbps) zur Verfügung stellt, gibt es bei UDP ein Problem, da die Darstellung des Programms nur unzureichend möglich ist und eine Reduzierung des Datenstroms, wie bei TCP üblich, durch die fehlende Rückverbindung nicht durchgeführt werden kann. Die meisten Anwendungsprogramme für UDP-Verbindungen testen daher heute beim Aufbau un zwischenpuffern von Empfangsdaten, ob die Geschwindigkeit ausreicht. Wenn diese Anforderungen nicht erfüllt werden, startet die Anwendung die Ausführung daher auch nicht.
Für die Anwendung der bestehenden Protokolle für Internetsysteme gibt es keine Alternative, z.B. durch Schaffung eines neuen Transferprotokolls, solange diese nicht mit den heute verwendeten und installierten Systemen zusammenarbeiten oder diese mittels Einschließung retten.
Dies bedeutet, daß auch in breitbandigen Multimediasystemen via Satellit die Protokolle TCP/IP und UDP als Dienstleistungsanweisungen für den größten Teil aller Datenübertragungen gebraucht werden und hierauf nicht verzichtet werden kann.
Zur Erhöhung der Performance im TCP/IP-Protokoll kann bei der Installation des Systems ein Softwareprogramm genutzt werden, welches die Windows98-Konfiguration automatisch verändert und dem Endkunden somit eine hohe Geschwindigkeit zur Verfügung stellt.
5. Zusammenfassung und Synthese der Kosten/Nutzen-Analyse
In diesem letzten Hauptpunkt meiner Diplomarbeit möchte ich bewußt einmal vom technischen Aspekt der Ausführungen weggehen und eine kurze Zusammenfassung der Kosten/Nutzen-Analyse geben und anschließend eine Synthese bilden, die als Ergebnis meiner Arbeit formuliert werden kann.
In diese Analyse sollen neben den technischen Ergebnissen, die bereits oben geschildert wurden, auf kaufmännische Aspekte miteinbezogen werden, da es heute für einen Ingenieur maßlos wichtig ist, neben technischen Fähigkeiten auch kaufmännisches Geschick zu besitzen, um ein Produkt vermarkten zu können.
Diese Voraussetzung ergibt sich aus der wichtigen Tatsache, da es nur
sehr wenige Kaufleute, Juristen sowie Volks- und Betriebswirte gibt, die
auch das technische Verständnis oder die Fähigkeit haben, technische
Beurteilungen zur Einführung eines ganz bestimmten Systems zu fällen.
Der Nachteil des heutigen Ingenieurwesens in größeren Firmen
ist davon gekennzeichnet, da Personen dieser Berufsgruppe meist die Entscheidungsträger
in einer Firma oder einem Institut sind.
Ein kurze Zusammenfassung des technischen Teils, getrennt nach Vorwärts- und Rückwärtskanal, werde ich in den folgenden zwei Unterpunkten geben. Dabei stehen vor allem die Übertragungsmethode in Abhängigkeit des Orts und der Anzahle der Stationen zur Diskussion.
Im Bezug auf die Auswahl des geeigneten Satellitenssystems und Frequenzbands, stehen nur wenige Möglichkeiten heute und zukünftig zur Verfügung. Umlaufende Satellitensysteme sind heute noch nicht installiert, werden aber später für breitbandige Services aufgrund fehlender Frequenzkoordinierungen im niedrigeren Frequenzband ausschließlich im Ka-Band arbeiten. Das Ka-Band zeichnet sich zwar durch hohe Antennengewinnen mit kleinen Schlüsseln aus, ist aber durch die hohe Empfindlichkeit für Niederschlag, besonders Regen, in den meisten Erdeilen teilen nicht mit einer hohen Verfügbarkeit zu nutzen. Zudem müssen Nachführeinrichtungen installiert werden, ein weiterer Nachteil durch deren Fehleranfälligkeit.
Die Implementation von geostationäre Satelliten bedeutet zwar eine lange Laufzeit für das Signal, dies kann aber datentechnisch durch die TCP/IP-Verbesserungen nicht mehr als Nachteil angesehen werden. Außerdem bieten geostationäre Satelliten relativ günstige Einstiegsmöglichkeiten für VSAT-Systeme. Die Frage des Frequenzbands erübrigt sich hierbei, da es auf der gesamten Landmasse der Erde im Bezug auf die Niederschalgsabhängigkeit für fast regenunabhängige Gebiete, wie z.B. Nordamerika oder Europa, bereits Ku-Band- und für regenabhängige Gebiete, wie z.B. die Tropen, C-Band-Versorgung gibt.
Zur Einführung eines multimedialen Breitbandsystems empfehle ich daher die Nutzung von geostationären Satelliten, wobei auf die Regenhäufigkeit bzw. die Niederschlagsmenge in einer Zielregion zur richtigen Frequenzbandauswahl geachtet werden muß.
Für die breitbandige Vorwärtsstrecke habe ich die beiden Übertragungsformen ATM und DVB betrachtet, da diese beiden Kommunikationsarten heute bereits auf Satelliten zu finden sind und über sie Daten, meist breitbandig, übertragen werden. Dabei setzen z.B. die Betreiber von LORAL ORION (Position 37,5 Grad West, Transatlantikverkehr) fast ausschließlich auf ATM-Technologien, wobei EUTELSAT (mehrere Positionen für Europa und den mittleren Osten) hingegen fast ausnahmslos auf DVB setzt.
Die Entscheidung ist bei der technischen Betrachtung auf die
DVB-Variante gefallen, da sie die beste Möglichkeit darstellt
und sogar in Kombination mit bestehenden Diensten, wie digitales Fernsehen
und Radio, arbeiten kann. Die technische Ausgereiftheit und Flexibilität
des DVB-Systems sowie die problemlose Installation von Geräten für
Datenkommunikation speziell im Punkt-zu-Mehrpunktverfahren haben insbesondere
DVB gesprochen und daher ATM das Nachsehen gelassen.
5.1.2. Rückwärtsstrecke
Bei der Rückwärtsstrecke muß man zwei Fälle unterscheiden. Hierbei ist die Anzahl der gewünschten Remotestationen zu beachten, besonders für die individuelle Steuerung des Rückkanals bei gleichbleibenden und vergleichbaren Carrier-To-Noise-Empfangswerten.
Aufgrund der technischen Durchsatzzahlen und dem nötigen Installationsaufwand sowie der möglichen Transpondernutzung kann man daher eine Grenze aufzeigen, die zwischen zwei unterschiedlichen Systemen einen sinnvollen Unterscheidungspunkt bildet.
Für kleinere Breitbandsysteme, die für einen Vorwärtskanal von 20 Mbps auf einem 36 MHz breiten Transponder durchgeführt werden, ist ein FDMA-System mit kontinuierlichen Carriern zwischen 64 kbps und 2 Mbps Bandbreite in QPSK VIT ½-Technologie zu empfehlen. Der Grund hierfür liegt in der maximal möglichen technischen Ausnutzung eines Transponders bei geringstem Installations- und Wartungsaufwand des Systems. Genutzt werden hierbei in der zentralen Hubstation eine Receiverbank mit QPSK-Demodulatoren mit angeschlossenem Routerinterface zur Datenaufbereitung.
Für größere Systeme hingegen empfiehlt sich, unter den gleichen Voraussetzungen, ein TDMA-System mit zeitlichgesteuertem DAMA-Zugriff auf den Rückkanal. Der Vorteil liegt dabei auf der Hand, da nicht alle Stationen grundsätzlich als Rückkanal die volle Bandbreite, von z.B. 256 kbps, benötigen, sondern zeitlich unterschiedlich ein Bedarf nach Bandbreite besteht. Mit intelligenter Software kann daher, bei voller Ausnutzung des, abzüglich Schutzband, noch zur Verfügung stehenden knapp 11 MHz breiten Rückkanals, mit höherer Leistung der einzelnen Remotestationen zeitabhängig gearbeitet werden. Der zusätzliche technische Aufwand kann durch intelligente Steuerung der Remotestationen im DVB-Kanalbereich des Vorwärtskanals vollautomatisch durchgeführt werden und Zeitabhängig mit GPS-Satellitenzeit weltweit synchronisiert werden.
Die kaufmännische Abschätzung des Systems möchte ich in den Kosten angeben, die das System auf der Investitionsseite sowie laufend aufbringen muß. Als Ergebnis läßt sich hierbei mit einer Umsetzung von der zur Verfügung stehenden Bandbreite ein "Kosten pro User"-Modell aufzeigen und dies mit der heutigen Internetnutzung vergleichen.
Die Gesamtkosten des Systems verteilen sich auf zwei Hauptschwerpunkte. Zum einen sind hier die Investitionskosten zu nennen, die für den Ankauf des Systems in Sachgütern, sowie für die Erstinstallation an Arbeitskrafteinsatz, erforderlich sind. Zum anderen müssen die laufenden Kosten des Systems abgeschätzt werden. Interessante Werte hierfür sind die Transponderkosten des Satelliten und der Betriebsaufwand an Personal während des Betriebs.
Die Investitionen zur Einführung des multimedialen Breitbandsystems umfassen eine ganze Reihe von Kosten und regulativen Punkten, die ich im folgenden abschätzen und analysieren möchte. Dabei will ich einmal ein kleines Multimediaprojekt darstellen, welches die Hubstation und fünf Remotestationen umfaßt. Als potentielle Nutzer kommen dabei die WE der jeweiligen BK-Kabelnetze in Frage, hier gebe ich etwa 2000 Personen pro Netz an. Die Netze liegen im deutschsprachigem Raum. Die Rückkanaltechnologie soll demnach FDMA sein.
Für also insgesamt 10000 Personen soll daher Bandbreite zur Verfügung gestellt werden. Für Internetanwendungen rechnet man, laut EUTELSAT, mit einer durchschnittlichen Rate von 2 kbps pro User, so daß ein maximaler Vorwärtskanal von etwa 20 Mbps reserviert werden müßte.
Da eine Marktpenetration von 100% natürlich in einem solchen System nicht erreicht wird, kann durch die Flexibilität von DVB zunächst mit geringerer Bandbreite angefangen werden. Dabei muß das System aber gleich so geplant werden, daß eine spätere Erweiterung mit nur geringen oder keinen weiteren Investitionen durchgeführt werden kann. Kritisch ist hierbei nicht das DVB-Equipment, da dieses gemäß Standard zwischen 1,5 Mbps und 45 Mbps arbeiten kann, sondern die EIRP der jeweilig genutzen Stationen, um das entsprechende Linkbudget zu erfüllen. Um ein solches System zu beginnen, habe ich die folgenden Zahlen ermittelt:
Für die Zentralstation fallen an:
1 Erdstation 3,7 Meter mit TWTA 300 Watt 300 000 DEM
1 DVB-Encoder für Daten mit RS-Codierung 40
000 DEM
1 Modulator für DVB mit Viterbi-Codierung
10 000 DEM
5 Demodulatoren für QPSK Viterbi
40 000 DEM
1 Dateninterface (Router) zum terr. Netzwerk
20 000 DEM
Diverse Kabel und Verbindungsteile
10 000 DEM
SUMME: 420 000 DEM
Für die Remotestationen schlagen zu Buche:
5 VSAT-Einheiten 1,2 Meter mit SSPA 2 Watt 100
000 DEM
5 DVB-Demodulator und Dateninterfaces (PC)
10 000 DEM
5 Modulatoren für QPSK Viterbi
25 000 DEM
5 Kabelaufbereitungsausrüstungen
100 000 DEM
1000 Kabelmodems
40 000 DEM
SUMME: 275 000 DEM
Hierbei ist zu beachten, daß ich die Kabelmodems zu Beginn des Systems nur mit 1000 Stück angegeben habe. Eine Nachbestellung kann rechtzeitig bei Systemerfolg gemacht werden und wird dann unter "weiteren Investitionskosten" verbucht.
Zu dieser Summe hinzu kommt noch Arbeitskraft, die bezahlt werden muß.
Für die Installation der Antennen und Systeme kann mit einem Aufwand
von drei Tagen für die zentrale Hubstation und jeweils einen Tag für
die VSAT-Station mit jeweils zwei Ingenieuren gerechnet werden. Dies ergibt
also einen Aufwand von Personenzeitaufwand P = 2 Personen * 8 Tage * 7,5
Stunden = 120 Mannstunden. Inklusive An- und Abfahrt, die mit 20 Mannstunden
pro Tag pauschal bezahlt wird, ergibt dies einen Endaufwand von 280 Mannstunden.
Bei einer Verrechnungspauschale von 100 DEM/Stunde ergibt dies also einen
Arbeitspreis von 28 000 DEM.
5.2.1.2. Laufender Unterhalt
Der laufende Unterhalt des Systems wird an den Kosten des terrestrischen Netzwerks, von dem man die Internetdaten bekommt, sowie von den Transponderpreisen abhängen.
Eine E1-Datenleitung der Deutschen Telekom AG kostet dabei z.B. momentan etwa 45 000 DEM pro Monat mit unbegrenztem Durchsatz. Wenn 1000 User mit dem System anfangen und eine durchschnittliche Datenrate über den Tag von etwa 2 kbps festzustellen ist, muß mit einem monatlichen Durchsatz von etwa 5,184 Tbps gerechnet werden.
Für den Transponder können nun unterschiedliche Modelle generiert werden. Wenn ich jetzt bei den anfänglichen 1000 Nutzern bleibe, würde dies eine durchschnittliche Bandbreite von zwei Mbps bedeuten. Um flexibel in der Startphase auf Verkehrsspitzen zu reagieren, wird daher der Vorwärtskanal mit 2 Mbps DVB-codiert eingeschaltet werden. Für die Rückwärtskanäle sehe ich 256 kbps vor, um eMail-Uploads in vernünftiger Geschwindigkeit zur Verfügung zu stellen. Demnach werden fünf 256 kbps Träger, entspricht fünfmal 0,333 MHz Bandbreite inklusive Schutzband sowie ein zwei Mbps Kanal, entspricht 2,6 MHz Bandbreite mit Schutzband, ausgestrahlt. Die Kosten belaufen sich daher auf den Transponderanteil, der von diesem System genutzt wird.
Hier sind es 4,265 MHz Bandbreite. Dies entspricht einem Anteil von 11,84% eines 36 MHz breiten Transponders. Bei einem Preis von etwa 5 000 000 DEM pro Jahr für einen Volltransponder, würden die Kosten knapp 50 000 DEM im Monat betragen.
Der Personaleinsatz pro Monat sollt in diesem Bereich mit etwa 15 000 DEM zusätzlich angerechnet werden. Demnach muß eine monatliche Summe von 110 000 DEM zur Zeit auf die Kunden umgelegt werden.
Der kritischste Punkt, der auch über die Akzeptanz eines Systems beim Endkunden entscheidet, ist der Preis, den der Endkunde monatlich als Service zu bezahlen hat. Gemäß einer Rechnung von etwa 110 000 DEM monatlich, liegt der BreakEven-Punkt natürlich nicht bei diesen 500 Personen. Allein für die laufenden Kosten müßten allein 110 DEM pro Nutzer aufgebracht werden, wenn alle 1000 angeschlossen wären.
Das Ziel hierbei ist allerdings klar ersichtlich. Da die Anbindung an das Transatlantiknetz über die DTAG unbegrenzt erfolgt und die Transponderkosten fest bezahlt sind, können die monatlichen Kosten als fester Betrag umgelegt werden. Ebenso fallen die Investitionskosten bei einem Fünfjahresplan zur Abschreibung nur mit einem geringen Teil zu Buche, d.h. hier müssen pro User und Monat etwa 12,05 DEM zusätzlich aufgebracht werden.
Für diesen Fall bei 1000 Nutzern wäre also eine "FlatRate"-Abrechnung
ohne Zeit- und Megabytebegrenzung für den Enduserzugang zum Breitband-Multimediasystem
in Höhe von etwa 150 DEM pro Monat anzuwenden.
5.2.3. Vergleich mit heutigen Internetkosten
Im Vergleich zur heutigen Internetnutzung hat der Breitband-Multimediaanschluß an das Internet eine Chance. Ein durchschnittlicher Schmalbandinternetnutzer bringt momentan hier in Deutschland die gleiche Geldmenge zeit- und megabyteabhängig auf, die hier für den wesentlich schnelleren Multimediazugang bei möglicher 24-Stunden-nutzung anfallen würde.
Der Internetkunde könnte den multimedialen Breitbandanschluß also zukünftig nicht nur mit einer erhöhten Geschwindigkeit, sondern auch noch zeit- und datenverkehrsunabhängig nutzen. Dabe würde bei der Endabrechnung kein Pfennig mehr ausgegeben werden müssen.
Breitbanddienste für Multimediaanwendungen können über Satellit sinnvoll als Telekommunikationsverbindung zu Endkunden bzw. zwischen Firmennetzen genutzt werden. Als Voraussetzung gilt, damit es kaufmännisch interessant und konkurrenzfähig bleibt, wenn diese Breibandverbindung als eine Punkt-zu-Mehrpunktverbindung genutzt wird, z.B. zwischen einer Zentrale und vielen angeschlossenen Außenstellen. Dieses Szenario ist allerdings sehr häufig anzutreffen, besonders wenn es um die Anbindung von Überseebüros oder -filialen sowie um den schnellen Datenaustausch oder Videokonferenzverbindungen geht.
Als Start für ein Breitbandsystem kann bereits ein zwei Mbps-DVB-Träger mit drei 256 kbps-FDMA-Rückkanal dienen, wie im Kooperationsversuch zwischen der GMD, o.tel.o und EUTELSAT im Juni 1998 gezeigt werden konnte. Durch die Flexibilität von DVB kann der Vorwärtskanal beliebig erweitert werden, für den Rückwärtskanal wird man ab einer Stationsanzahl von etwa 20 bis 30 wohl ein TDMA-DAMA-System installieren.
Das Modell der "FlatRate" bei der Abrechnung von Internetzugänge, die also zeitlich und in der Menge unabhängig vom Nutzer sind, wird nachhaltig ein Argument für private Kabelnetzbetreiber sein, ein solches Internetsystem als "ValueAddedSystem" in ihr BK-Netz einzuspeisen. Firmen können, ohne Zeitabhängigkeit im Bezug auf Kosten, Videokonferenzen in guter Qualität durchführen. Kleinere SoHo-User problemlos über Telearbeit bei diesen Verbindungswerten mit der zentralen Arbeitsstelle in Verbindung bleiben.
Die Zukunft für Multimedia-Breitbanddienste via Satellit hat
also begonnen.
6. Anhang
6.1. AkronymeACK Acknowledgement
ACTS Advanced Communications Technologies Satellite
AM Amplitudenmodulation
AOR Atlantic Ocean Region
ATM Asychronous Transfer Mode
BER Bit Error Rate
BPSK Binary Phase Shift Keying
BW Bandbreite
CDMA Code Division Multiple Access
CONUS Footprint über dem USA-Mainland
DAB Digital Audio broadcasting
DAMA Demand Access Multiple Access
dB Dezibel
dBm Dezibel mit der Bezugsgröße 1 Milliwatt
dBW Dezibel mit der Bezugsgröße 1 Watt
dBHz Dezibel mit der Bezugsgröße 1 Hertz
dBi Dezibel mit der Bezugsgröße des zu vergleichenden Gewinns eines Isotropenstrahlers
DBS Direct Broadcasting Satellite
DTH Direct-To-Home
DVB Digital Video Broadcasting
EBU European Broadcasting Union
EIRP Effective Istropic Radiated Power
EUTELSAT European Telecommunications Satellite Organisation
FDMA Frequency Division Multiple Access
FEC Forward Error Correction
FSK Frequency Shift Keying
FTP File Transfer Protocol
GEO Geostationäre Erdumlaufbahn
GPS Global Positioning System
GTO Geostationärer Transferorbit
HPA High Power Amplifier
IBO Input BackOff
IF Zwischenfrequenz
IM Intermodulation
IOR Indian Ocean Region
IP Internet Protocol
ISC Internet Service Carrier
ISDN Integrated Services Digital Network
ISP Internet Service Provider
ITU International Telecommunications Union
LAN Local Area Network
LEO Low Earth Orbit
LNA Low Noise Amplifier
LNB Low Noise Blockconverter
LZ Linkszirkular
MAC Multiplexed Analogue Components
MEO Medium altitude Earth Orbit
MODEM Modulator/Demodulator
MPEG Motion Picture Expert Group
MUX Multiplexer
NASA National Aeronautics and Space Administration
NOAA National Oceanographic and Atmospheric Administration
NRZ Non-Return to Zero
NVOD Near Video-On-Demand
OBO Output BackOff
PCM Pulse Code Modulation
PLL Phase Locked Loop
PM Phase Modulation
POR Pacific Ocean Region
PSK Phase Shift Keying
QPSK Quadraturphasenmodulation
RX Empfänger
RZ Rechtszirkular
SBC Satelliten-Beobachter-Club e.V.
SCPC Single Channel per Carrier
SHF Super High Frequency
SMS Satellite Multi Services
SSPA Solid State Power Amplifier
TDMA Time Division Multiple Access
TCP Transfer Control Protocol
TWTA Travelling Wave Tube Amplifier
TX Sender
TXP Transponder
UDP User Datagramme Protocol
VSAT Very Small Aperture Terminal
WAN Weitverkehrsnetzwerk
6.2. Quellenverzeichnis
Bücher:
(1) Maral/Bousquet, "Satellite Communications Systems 3rd Edition", London, Wiley Verlag, 1998. ISBN 0-471-97037-9(2) Roddy, "Satellitenkommunikation", Wien, Hanser Verlag, 1991. ISBN 3-446-16000-0
(3) Minoli, "Distributed Multimedia Through Broadband Communications", London, Artech House Inc., 1993. ISBN 0-89006-689-2
(4) De Prycker, "ATM: Solution for Broadband", London, Ellis Horwood Ltd., 1991. ISBN 0-13-053513-3
Schulungen:
(a) Bousquet/Maral, "International Courses for Telecom Professionals in Barcelona", Barcelona, CEI-Europe, September 1998
Genutzte wichtige Unterlagen:
- EUTELSAT Transponderplan für Ausstrahlungen auf EUTELSAT II-F3, Transponder 21.
- Tägliche Satelliten- und Mediennachrichten "SatelliFax" der Fa. Satelli-Line GmbH, Isen.
- Orbitaldaten von Satelliten der NORAD in TwoLineElement-Format: http://celestrak.com sowie Software zum Erstellen von Umrechnungen daraus
6.3. Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Foto: Andreas Voigt, GMD, 1998
Abbildung 2: Foto: Andreas Voigt, GMD, 1998
Abbildung 3: EUTELSAT-Hompepage http://www.eutelsat.org/press/portfolio_image1.html
Abbildung 4: New York Times Homepage http://partners.nytimes.com/partners/aol/special/sputnik/sat1.1.jpg
Abbildung 5: EUTELSAT Homepage http://www.eutelsat.org/press/portfolio_image31.html
Abbildung 6: Zeichnung: Andreas Voigt, GMD, 1998
Abbildung 7: Foto: Serguei Raber, GMD 1998
Abbildung 8: Foto: Andreas Voigt, GMD, 1998
Abbildung 9: Foto: Andreas Voigt, GMD, 1998
Abbildung 10: LambdaSpace Homepage http://www.lambda-space.com/images/comp_transceiver.gif
Abbildung 11: Maral/Bousquet, "Satellite Communications Systems 3rd Edition", London, Wiley Verlag, 1998, Seite 613. ISBN 0-471-97037-9
Abbildung 12: Maral/Bousquet, "Satellite Communications Systems 3rd Edition", London, Wiley Verlag, 1998, Seite 576. ISBN 0-471-97037-9
Abbildung 13: EUTELSAT Link Information Fax, 12/1998
Abbildung 14: EUTELSAT Link Information Fax, 12/1998
Abbildung 15: Zeichnung: Andreas Voigt, GMD, 1998
Abbildung 16: Bousquet/Maral, "International Courses for Telecom Professionals in Barcelona", Barcelona, CEI-Europe, 1998, Seite 119
Abbildung 17: Bousquet/Maral, "International Courses for Telecom Professionals in Barcelona", Barcelona, CEI-Europe, 1998, Seite 151
Abbildung 18: Bousquet/Maral, "International Courses for Telecom Professionals in Barcelona", Barcelona, CEI-Europe, 1998, Seite 166
Abbildung 19: Bousquet/Maral, "International Courses for Telecom Professionals in Barcelona", Barcelona, CEI-Europe, 1998, Seite 124
Abbildung 20: Bousquet/Maral, "International Courses for Telecom Professionals in Barcelona", Barcelona, CEI-Europe, 1998, Seite 148
Abbildung 21: Zeichnung: Andreas Voigt, GMD, 1998
Abbildung 22: Tabelle: Andreas Voigt, GMD, 1998
Abbildung 23: Zeichnung: Andreas Voigt, GMD, 1998
Abbildung 24: Zeichnung: Andreas Voigt, GMD, 1998
Abbildung 25: Zeichnung: Andreas Voigt, GMD, 1998
Abbildung 26: Zeichnung: Andreas Voigt, GMD, 1998
Abbildung 27: Zeichnung: Andreas Voigt, GMD, 1998
Abbildung 28: WebCam-Foto Spektrumanalysator HP 8953E, 1998
Abbildung 29: WebCam-Foto Spektrumanalysator HP 8953E, 1998
Abbildung 30: Zeichnung: Andreas Voigt, GMD, 1998
Abbildung 31: Quelle unbekannt (Labordokumentation)
Abbildung 32: Foto: Andreas Voigt, GMD, 1998
Abbildung 33: Zeichnung: Andreas Voigt, GMD, 1998
Abbildung 34: Zeichnung: Andreas Voigt, GMD, 1998
Abbildung 35: Zeichnung: Andreas Voigt, GMD, 1998
Abbildung 36: Bousquet/Maral, "International Courses for Telecom Professionals in Barcelona", Barcelona, CEI-Europe, 1998, Seite 305
Abbildung 37: Maral/Bousquet, "Satellite Communications Systems 3rd Edition", London, Wiley Verlag, 1998, Seite 146. ISBN 0-471-97037-9
Abbildung 38: Bousquet/Maral, "International Courses for Telecom Professionals in Barcelona", Barcelona, CEI-Europe, 1998, Seite 304
Abbildung 39: Bousquet/Maral, "International Courses for Telecom Professionals in Barcelona", Barcelona, CEI-Europe, 1998, Seite 253
Abbildung 40: Maral/Bousquet, "Satellite Communications Systems 3rd Edition", London, Wiley Verlag, 1998, Seite 146. ISBN 0-471-97037-9
Abbildung 41: Bousquet/Maral, "International Courses for Telecom Professionals in Barcelona", Barcelona, CEI-Europe, 1998, Seite 282
Abbildung 42: Bousquet/Maral, "International Courses for Telecom Professionals in Barcelona", Barcelona, CEI-Europe, 1998, Seite 254
Abbildung 42a: Bousquet/Maral, "International Courses for Telecom Professionals in Barcelona", Barcelona, CEI-Europe, 1998, Seite 275
Abbildung 43: Maral/Bousquet, "Satellite Communications Systems 3rd Edition", London, Wiley Verlag, 1998, Seite 146. ISBN 0-471-97037-9
Abbildung 44: Maral/Bousquet, "Satellite Communications Systems 3rd Edition", London, Wiley Verlag, 1998, Seite 158. ISBN 0-471-97037-9
Abbildung 45: Zeichnung: Andreas Voigt, GMD, 1998
Abbildung 46: Schaubild TCP/IP-Aufbau, GMD
Abbildung 47: Schaubild UDP-Aufbau, GMD
