Mobilkommunikation
Kapitel 5: Satellitensysteme
Geschichte
 Grundlagen
 Lokalisierung

Handover
 Routing
 Systeme

5.0.3
Geschichte der Satellitenkommunikation
1945
1957
1960
1963
1965
1976
1982
1988
1993
1998
Arthur C. Clarke veröffentlicht Aufsatz über „Extra
Terrestrial Relays“
erster Satellit SPUTNIK
erster reflektierender Nachrichtensatellit ECHO
erster geostationärer Satellit SYNCOM
erster kommerzieller geostationärer Satellit „Early Bird“
(INTELSAT I): 240 Duplex-Telefonkanäle oder 1 Fernsehkanal, Lebensdauer 1,5 Jahre
drei MARISAT Satelliten für maritime Kommunikation
erstes mobiles Satellitentelefonsystem INMARSAT-A
erstes landmobiles Satellitensystem für
Datenkommunikation INMARSAT-C
erste digitale landmobile Satellitentelefonsysteme
globale Satellitentelefonsysteme für Handys
Mobilkommunikation: Satellitensysteme
5.1.2
Einsatzgebiete für Satelliten

traditionell:

Wettersatelliten
 Rundfunk- und Fernsehsatelliten
 militärische Dienste
 Satelliten zur Navigation und Ortung (GPS)

für Telekommunikation:

weltweite Telefonverbindungen
in Zukunft von Glasfaser abgelöst
 Backbone für globale Netze
 Kommunikationsverbindungen in schwer zugänglichen Gebieten
oder unterentwickelten Regionen (Verkabelung nur mit großem
Aufwand möglich)
 weltweite Mobilkommunikation
 Satellitensysteme als Ergänzung zu zellularen
Mobilfunksystemen
Mobilkommunikation: Satellitensysteme
5.2.2
Aufbau eines Satellitensystems
Intersatellitenverbindung (ISL)
Mobile User
Link (MUL)
Gateway Link
(GWL)
MUL
GWL
kleinere Zellen
(Spotbeams)
Bodenstation
oder
Gateway
gesamtes
Ausleuchtungsgebiet
(Footprint)
ISDN
PSTN: Public Switched
Telephone Network
Mobilkommunikation: Satellitensysteme
PSTN
GSM
Benutzerdaten
5.9.1
Grundlagen
Satelliten in kreisförmigen Umlaufbahnen







Anziehungskraft Fg = m g (R/r)²
Zentrifugalkraft Fc = m r ²
m: Satellitenmasse
R: Erdradius (R = 6370 km)
r: Entfernung vom Erdmittelpunkt
g: Erdbeschleunigung (g = 9.81 m/s²)
: Winkelgeschwindigkeit ( = 2  f, f: Umlauffrequenz)
Stabile Umlaufbahn

F g = Fc
r3
Mobilkommunikation: Satellitensysteme
2
gR
2
( 2 f )
5.21.1
Zusammenhang von Umlaufdauer und -bahn
24
Umlaufdauer [h]
Geschwindigkeit [ x1000 km/h]
20
16
12
8
4
Synchrondistanz
35.786 km
10
20
30
40 x106 m
Radius
Mobilkommunikation: Satellitensysteme
5.22.2
Grundlagen





Umlaufbahnen (= Orbits) elliptisch oder kreisförmig
bei kreisförmigen Orbits Umlaufdauer von Höhe über
Erdoberfläche abhängig
Inklination: Neigung des Orbits gegenüber dem Äquator
Elevation: Erhebungswinkel des Satelliten über den Horizont
Sichtverbindung (LOS = Line of Sight) zum Satelliten für
Funkverbindung notwendig
 höhere Elevation besser, da weniger Abschattung durch Hindernisse



Uplink: Verbindung Bodenstation - Satellit
Downlink: Verbindung Satellit - Bodenstation
meist getrennte Frequenzbereiche für Up- und Downlink

Transponder zum Umsetzen der Signale auf andere Frequenz
 transparente Transponder: nur Frequenzumsetzung
 regenerative Transponder: zusätzlich Signalaufbereitung
Mobilkommunikation: Satellitensysteme
5.3.2
Inklination
Ebene der Satellitenbahn
Satellitenbahn
erdnächster Punkt
d
Inklination d
Äquatorialebene
Mobilkommunikation: Satellitensysteme
5.19.1
Elevation
Elevation:
Einfallswinkel für die Mitte der
Strahlungskeule (bezogen auf die Erdoberfläche)
minimale Elevation:
kleinste Elevation, bevor
ein neuer Satellit des Systems
sichtbar wird
Mobilkommunikation: Satellitensysteme
e
5.20.2
Übertragungsleistung von Satelliten
Parameter wie Dämpfung oder empfangene Leistung werden von
vier Werten bestimmt:
L: Loss
 Sendeleistung
f: carrier frequency
r: distance
 Antennengewinn (Sender)
c: speed of light
 Abstand von Sender und Empfänger
2
 4 r f 
 Antennengewinn (Empfänger)
L

 c 
Probleme
 schwankende Signalstärke auf Grund der Mehrwegeausbreitung
 Signalunterbrechung auf Grund von Abschattungen (keine LOS)
Mögliche Lösungen
 Signalschwankungen können durch Leistungsreserven
ausgeglichen werden
 Satelliten Diversität hilft bei geringerer Sendeleistung (Einsatz
mehrerer gleichzeitig sichtbarer Satelliten)
Mobilkommunikation: Satellitensysteme
5.23.1
Atmosphärische Dämpfung
Abschwächung
des Signals in %
50
Beispiel: Satellitensystem mit 4-6GHz
40
Absorption
durch Regen
30
Absorption
durch Nebel
e
20
10
Atmosphärische
Absorption
5° 10°
20°
30°
40°
Elevation des Satelliten
Mobilkommunikation: Satellitensysteme
5.16.1
50°
Orbits I
Satellitenorbits werden nach Art und Höhe des Orbits in vier
Klassen eingeteilt:
 GEO: geostationärer Orbit in etwa 36000 km Höhe
 LEO (Low Earth Orbit) in 700 - 2000 km Höhe
 MEO (Medium Earth Orbit) oder ICO (Intermediate Circular
Orbit) in 6000 - 20000 km Höhe
 HEO (Highly Elliptical Orbit) elliptische Orbits
Mobilkommunikation: Satellitensysteme
5.4.3
Orbits II
GEO (Inmarsat)
HEO
MEO (ICO)
LEO
(Globalstar,
Irdium)
innerer und äußerer
Van-Allen-Gürtel
earth
1000
10000
Van-Allen-Gürtel:
ionisierte Teilchen
in 2000 - 6000 km
Höhe (kein SatellitenBetrieb möglich)
Mobilkommunikation: Satellitensysteme
35768
km
5.24.1
Geostationäre Satelliten
Orbit in 35.786 km Entfernung von der Erdoberfläche in der
Äquatorebene (Inklination 0°)
 Umlaufzeit beträgt 1 Tag, Satellit bewegt sich synchron mit
Erddrehung
 feste Position der Antennen, kein Nachführen nötig
 Satellit leuchtet relativ großes Gebiet aus, Frequenzen dadurch
schlecht wiederbenutzbar
 durch feste Position über Äquator schlechte Elevation in
Breitengraden über 60°
 hohe Sendeleistungen nötig
 durch große Entfernung lange Laufzeit, ca. 275 ms
 ungeeignet für flächendeckende Mobilfunkversorgung, daher
meist Rundfunk- und Fernsehsatelliten
Mobilkommunikation: Satellitensysteme
5.5.3
LEO-Systeme
Orbit in 700 - 2000 km Höhe
 Sichtbarkeitsdauer eines Satelliten 10 - 40 Minuten
 globale Funkversorgung möglich
 Laufzeit vergleichbar mit terrestrischen Weitverkehrsverbindungen, etwa 5 - 10 ms
 kleinere Ausleuchtungsgebiete, bessere Frequenznutzung
 Gesprächsübergabe (Handover) benötigt
 viele Satelliten für globale Funkversorgung nötig
 Frequenzänderung wegen Satellitenbewegung (Doppler-Effekt)
Beispiele:
Iridium (Betriebsbeginn Sept. 1998, 66 Satelliten)
Bankrott! Einstellung der Dienste: März 2000
Globalstar (Betriebsbeginn 1999?2000?, 48 Satelliten)
Mobilkommunikation: Satellitensysteme
5.6.5
MEO-Systeme
Orbit in 6000 - 20000 km Höhe
Vergleich mit LEO-Systemen:
 Geschwindigkeit des Satelliten langsamer
 weniger Satelliten benötigt
 weniger starker Doppler-Effekt
 Verbindungen meist ohne Handover möglich
 längere Laufzeiten, etwa 70 - 80 ms
 höhere Sendeleistung nötig
 stärker bündelnde (= größere) Antennen für kleine Ausleuchtungsgebiete nötig
Beispiele:
ICO (Intermediate Circular Orbit, Inmarsat), Start geplant 2000,
Bankrott!
Mobilkommunikation: Satellitensysteme
5.7.4
Routing
Möglichkeit: Intersatellitenlinks (ISL)
 reduziert Anzahl erforderlicher Gateways
 Gespräche werden so weit wie möglich über Satelliten geführt
(weniger Gebühren für terrestrische Netze)
 bei Verbindung zweier Mobilstationen nur ein Uplink und ein
Downlink nötig
Probleme:
 präzise Ausrichtung der Antennen komplex
 kompliziertes Regelungssystem wegen Eigenbewegung der
Satelliten nötig
 höherer Treibstoffverbrauch
 kürzere Lebensdauer
Iridium und Teledesic mit ISL geplant
Andere Systeme benutzen Gateways und terrestrische Netze
Mobilkommunikation: Satellitensysteme
5.12.1
Übersicht über geplante/existierende Systeme
# Satelliten
Höhe (km)
Abdeckung
min. Elevation
Frequenzen
[GHz (circa)]
Zugriffsmethode
ISL
Datenrate
# Kanäle
Lebensdauer
[Jahre]
Kosten (grobe
Abschätzung)
Iridium
66 + 6
780
global
8°
1,6 MS
29,2 
19,5 
23,3 ISL
FDMA/TDMA
Globalstar
48 + 4
1414
70° Breite
20°
1,6 MS 
2,5 MS 
5,1 
6,9 
CDMA
ICO
10 + 2
10390
global
20°
2 MS 
2,2 MS 
5,2 
7
FDMA/TDMA
Teledesic
288
ca. 700
global
40°
19 
28,8 
62 ISL
yes
2,4 kbit/s
no
9,6 kbit/s
no
4,8 kbit/s
4000
5-8
2700
7,5
4500
12
yes
64 Mbit/s 
2/64 Mbit/s 
2500
10
4,4 Mrd€
3 Mrd€
4,5 Mrd€
9 Mrd€
Bankrott!
März 2000
Mobilkommunikation: Satellitensysteme
?
Bankrott!
FDMA/TDMA
?
5.15.4

Übersicht über die Vorlesung