Μάθηµα Εισαγωγή στις Τηλεπικοινωνίες

Μάθηµα Εισαγωγή στις Τηλεπικοινωνίες Ενότητα 6η Τηλεπικοινωνιακά Συστήµατα Ι Μάθηµα 7ο ΕΘΝΙΚΟ & ΚΑΠΟ ΙΣΤΡΙΑΚΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ Τοµέας Επικοινωνιών και Επεξεργασίας Σήµατος 1 Τµήµα Πληροφορικής & Τηλεπικοινωνιών Περιεχόµενα Επισκόπηση και Βασικές έννοιες των RF συστήµατων οµή Μέθοδοι µετάδοσης χαρακτηριστικά Το ραδιοφάσµα και υπηρεσίες Τυποι RF συστήµατων Μικροκυµατικά συστήµατα ορυφορικά συστήµατα Άλλες τεχνολογίες Οπτικά συστηµάτα οµή Τεχνικές µετάδοσης Οπτικά δίκτυα 2

Επισκόπηση ικτυο: Ψηφιακό αναλογικό Κυκλώµατα: µεταγωγής ή fixed 3 Ραδιο-Μικροκυµατικά Συστήµατα Ιστορική αναδροµή - Βασικές έννοιες 1867 (Maxwell), 1888 (Hertz), 1895 & 1901(Marconi) 1957: Εκτόξευση του Sputnik 1 1983: κινητές επικοινωνίες (mobile), 1992 GSM (Eu) 2002: CDMA network Wireless και Mobile LMDS and microwave are wireless, but not mobile (Fixed Wireless) Cellular/PCS phones and satellites are wireless and mobile Degrees of Mobility Cordless phones have low mobility, Cellular have higher mobility Cellular describes a wireless infrastructure, geographically deployed as a collection of cells 4

RF σύστηµα επικοινωνιών - οµικά στοιχεία και λειτουργίες Ποµπός- δέκτης Αναµεταδότες κεραίες Αναλογική - Ψηφιακή διαµόρφωση LNA ενισχυτές Μέθοδοι Πολυπλεξίας: FDMA, TDMA, CDMA (Μέθοδοι πολλαπλής πρόσβασης - Multiple Access) 5 ιαµόρφωση Modulation is the process of converting a baseband signal to a bandpass signal. A high frequency carrier is modulated by the original modulating signal to give a modulated wave. Baseband signals are not suitable for propagation: Antenna dimensions would be impractical We can t all use the same low frequency spectrum at the same time All major digital cellular mobile standards use digital modulation QPSK, GMSK, BPSK, etc. Spreading is the process of multiplying a narrowband signal with a wideband signal. It is used in CDMA, before the RF modulation stage to spread a signal over a wider spectrum. 6

Εφαρµογές συστηµάτων ψηφιακής διαµόρφωσης 7 Προβλήµατα των RF συστηµάτων A wireless signal undergoes many effects over the air, placing limitations on the performance of the system Reflection, Scattering, Diffraction Normal Fading Multipath Delay Spread Interference To overcome the challenges of propagating through the air, a number of techniques and tools can be employed Diversity (time, space, code, etc.) Spread Spectrum (particularly good at combating small-scale fading) Frequency Hopping (also combats small-scale fading) Power Control (reduces interference for others) Discontinuous Transmission (also reduces interference for others) Smart Antennas (focuses on the desired signal and avoids interference) Channel Allocation Strategies (avoid poor channels) 8

Ασύρµατα συστήµατα µετάδοσης Μετάδοση στον ελεύθερο χώρο 0.1 MHz-100 GΗz (radio,tv, Radar, µικροκυµατικές, δορυφορικές ζεύξεις) Το ραδιοφάσµα υπόκειται σε περιορισµούς χρήσης από διεθνείς οργανισµούς (IFRB,CCIR) 9 Ραδιοσυχνότητες και υπηρεσίες 10

Ραδιοφωνία - Τηλεόραση ΑΜ- FM (88-108 MHz) Ψηφιακή ραδιοφωνία (216 240 ΜΗz) (DAB T, S) Πολυπλεξία FDM TV (470 862 MHz) Ψηφιακή ΤV (DVB T,S,C) ETSI TR 101 200 - MPEG2 Teletext (9kbps) 11 Μικροκυµατικά συστήµατα Εύρος λειτουργίας 3-23 GHz ίκτυα κορµού - υπεραστικό δίκτυο Αλµατα (hops) 2-50 km Repeatears, LOS (coax: αναγεννητές 1-5km ) Από το 1990 χρήση f >23 GHz (ψηφιακές τεχνικές, διαθεσιµότητα ποµπών VLSI) WLL 12

Μικροκυµατικά συστήµατα -ποµποί 2-6 GHz Λυχνίες klystron 12-23 GHz Λυχνίες TWT Σύγχρονες µικροκυµατικές γεννήτριες ( ίοδοι Gunn, GaAs FET): f µέχρι 50 GHz, χαµηλή ισχύς Εφαρµογές 18 23 GHz ψηφιακή διαµόρφωση Κανάλια 30 ΜΗz και φασµατική απόδοση 3bpHz (8PSK) ή 6 bphz (64QAM) 13 Wireless Local Loop (WLL) - Fixed Wireless Wireless Local Loop (WLL) - Fixed Wireless wireless means of providing local loop access, replacing the copper pair into a home or business, often providing zero mobility unless combined with a cordless phone/device. Technologies : LMDS, MMDS, Microwave Fixed wireless Forward Link, Downlink, Downstream Reverse Link, Uplink, Upstream 14

Fixed wireless Fixed wireless refers to wireless devices or systems that are situated in fixed locations, The point-to-point signal transmissions occur through the air over a terrestrial microwave platform rather than through copper or fiber cables; therefore, fixed wireless does not require satellite feeds or local phone service. The advantages of fixed wireless include the ability to connect with users in remote areas without the need for laying new cables and the capacity for broad bandwidth that is not impeded by fiber or cable capacities. Point-to-point fixed wireless networks have been commonly deployed to offer high-speed dedicated links between highdensity nodes in a network πλεονεκτήµατα Subscribers can be added or moved (to a certain extent) without modifying the infrastructure. Subscribers in remote areas can be brought into a network without the need for stringing new cables or optical fibers across the countryside. Broad bandwidth is possible As the number of subscribers increases, the connection cost per subscriber goes down. 15 LMDS (Local multipoint Distribution Systems) LMDS is a broadband wireless point-tomultipoint communication system operating above 20 GHz point-to-multipoint or broadcast method LMDS provides an effective last-mile solution Due to its limited range of transmission (3 to 5 miles radius), LMDS is not a good choice to provide wide area coverage of digital television service. 16

MMDS (Multichannel multipoint Distribution Systems) Signals for MMDS broadcast at the transmitter site originate from a variety of sources: Satellite, terrestrial and cable delivered programs, local baseband services Repeater stations can be used to redirect MMDS signals to screened areas. The range of a transmitting antenna can reach 40-50 km depending on the broadcast power (1-100w) MMDS networks are characterized by the limited number of channels available in the low RF bands. Only 200 MHz of spectrum (between 2.5 GHz and 2.7 GHz) is allocated for MMDS use. This constraint reduces the effective number of channels in a single MMDS system. For TV signals with 6 MHz bandwidth, merely 33 channels can be fit into the spectrum. 17 ορυφορικά συστήµατα Η ιδέα της χρήσης ενός τεχνητού γήινου δορυφόρου στο διάστηµα ως επικοινωνιακού κόµβου µεταξύ δύο επίγειων αποµακρυσµένων σταθµών ανήκει στον συγγραφέα βιβλίων επιστηµονικής φαντασίας Arthur C. Clarke. Extra - Terrestrial Relays (Wireless World 1945). Sputnik 1 της τότε ΕΣΣ. από τις 4 Oκτωβρίου του 1954 και για 21 µέρες εξέπεµπε δεδοµένα τηλεµετρίας, Explorer I (31 Ιανουαρίου 1958) ΗΠΑ Το 1964 ο δορυφόρος σειράς SYNCOM III, χρησιµοποιείται για την κάλυψη των Ολυµπιακών Αγώνων του Τόκιο (γεωσύγχρονος). COMSAT στις ΗΠΑ το 1963 ΙΝΤELSAT ο ιεθνής Συνασπισµός Τηλεπικοινωνιών µέσω ορυφόρου (1964 µε απόφαση των Ηνωµένων Εθνών) INMARSAT και τοπικοί οργανισµοί όπως ARABSAT, EUTELSAT, ASIASAT, HELLASSAT 18

Πλεονεκτήµατα -µειονεκτήµατα δορυφορικών επικοινωνιών Πλεονεκτήµατα Η απόσταση µεταξύ των επικοινωνούντων επίγειων σταθµών δεν παίζει κανένα ρόλο. Το κόστος χρήσης είναι ανεξάρτητο της απόστασης των συνδεόµενων σταθµών. Είναι η µόνηλύσηγιατηντηλεπικοινωνιακήκάλυψη, δύσβατων περιοχών όπου η χρήση καλωδιακών συστηµάτων είναι αδύνατη ή έχει εξαιρετικά υψηλό κόστος Μειονεκτήµατα Μεγάλος χρόνος µετάδοσης. Για να σταλεί και να επιστρέψει ένα σήµα στη γη απαιτούνται περίπου 0.54 s, πρόβληµα στην επικοινωνία H/Y Ζήτηµα ασφάλειας στην πληροφορία που παρέχει ο δορυφόρος. (εξειδικευµένες τεχνικές κρυπτογράφησης) Υψηλό κόστος της τοποθέτησης σε τροχιά καθώς και περιορισµένος χρόνος ζωής των δορυφορικών σταθµών ( 7-16χρόνια) 19 To δορυφορικό σύστηµα Τηλ/νιών f d (downlink) < f u (uplink) ορυφορικός σταθµός διαστήµατος ορυφορικός σταθµός εδάφους ορυφορική ζεύξη και πρόσβαση Παρεχόµενες Υπηρεσίες 20

Τροχιοθέτηση δορυφόρων και είδη τροχιών T = 2π ( h + R) G M 3 Περίοδος περιστροφής ορυφόρος Απόγειο Γη Περίγειο Ι. Χαµηλή τροχιά (LEO - Low Earth Orbit): 500 km < h < 2000 km ΙΙ. Μέση τροχιά (ΜEO - Medium Earth Orbit): 2000 km < h < 12000 km ΙΙΙ. Γεωστατική τροχιά (GEO - Geostationary Earth Orbit): h 35.800 km IV. Υψηλή ελλειπτική τροχιά. (ΗEO - Highly Elliptical Orbit) 21 Εκτόξευση δορυφόρων Περιοχές εκτόξευσης Kourou (Γαλλική Γουϊάνα κοντά στον ισηµερινό ) Canaveral (ΗΠΑ) Kagoshima (Ιαπωνία) Τaiyan (Κίνα) Baikonour (Καζακστάν) 22

οµικά στοιχεία δορυφόρου Τηλ/νιων διαστηµική πλατφόρµα Σκελετός υποδοµής - κέλυφος Υποσύστηµα ελέγχουθέσηςστοχώρο Υποσύστηµα Τηλεµετρίας, Παρακολούθησης και ελέγχου (ΤΤ&C) Υποσύστηµα ελέγχου τροχιάς Υποσύστηµα ηλεκτρικής τροφοδοσίας Υποσύστηµα ελέγχου θερµοκρασίας Υποσύστηµα Τηλεπικοινωνιών 23 Υποσύστηµα Τηλ/νιων. Σταθµός διαστήµατος ορυφορικός Αναµεταδότης (Transponder) Φίλτρο Ζώνης LNA Κάτω Μετατροπέας f d Τοπικός ταλαντωτής LO I M U X Προενισχυτής pa Ενισχυτής Υψηλής ισχύος HPA O M U X f u f d Συστοιχία κεραιών ιαχωριστής συχνοτήτων f u/f d ιαχείριση εύρους ζώνης συχνοτήτων περίπου 500 MHz Κανάλια πλάτους: 40ΜΗz και 12-24 trasponders fd<10 GHz Κανάλια πλάτους: 80-200ΜΗz fd>10 GHz Ισχύς εκποµπής ~ 10 W 24

Υποσύστηµα Τηλ/νιων. Σταθµός Εδάφους f d f u LNA ΗPA Κάτω Μετατροπ έας f IF Τοπ ικός ταλαντω τής LO Ενισχυτής IF F IF =70 ή 140 ΜΗz f IF Ανω µετατροπέας Φίλτρο Ζώ νης Ενισχυτής IF Απ ο- διαµορφωτής ιαµορφωτής HPΑ: TWT ή Klystron (100W 3kW) D E M U X M U X Β Α Σ Ι Κ Η Ζ Ω Ν Η Επ ίγειο συµβατικό δίκτυο 25 Τύποι δορυφορικών σταθµών εδάφους Μεγάλοι σταθµοί εδάφους. Χρησιµοποιούνται για την παροχή υπηρεσιών στο κοινό σε διεθνές επίπεδο. Λέγονται και πύλες (gateway ή hub) και ουσιαστικά συνδέουν το δορυφορικό τηλεπικοινωνιακό δίκτυο µε το επίγειο τηλεφωνικό καθώς και µε δίκτυα δεδοµένων. Οι κεραίες που χρησιµοποιούν έχουν διάµετρο µέχρι και 30 m Μικροί σταθµοί εδάφους. Είναι ουσιαστικά οι µεµονωµένοι χρήστες µε κεραίες διαµέτρου από 1.8 έως 4.5 m που ονοµάζονται VSAT (Very Small Antenna Terminal) και οι USAT ( Ultra Small Antenna Terminal) µε διαµέτρους από 1.0 έως 1.8 m. Σε αυτούς παρέχονται συνδροµητικές υπηρεσίες (ΤV, δεδοµένα µε χαµηλούς ρυθµούς µετάδοσης) Κινητοί σταθµοί εδάφους. Είναι πλοία, αεροσκάφη και τώρα τελευταία προσωπικά κινητά τηλέφωνα 26

ορυφορικές κεραίες Κεραίες διαστήµατος G, T Γεωγραφική κάλυψη - ορυφορικό ίχνος (satellite footprint) 27 Iσοϋψείς καµπύλες του ΕIRP του δορυφόρου ΗΟΤΒΙRD2 της EUTELSAT που χρησιµοποιεί και ο ΟΤΕ ορυφορικές κεραίες Κεραίες εδάφους G/Τ, στενός λοβός ακτινοβολίας Ο παραβολικός ανακλαστήρας των δορυφορικών κεραιών εδάφους έχει διάµετρο από 18 m έως 0.2 m ανάλογα µε το ΕΙRP του ανταποκρινόµενου δορυφόρου και την υπηρεσία που καλύπτεται Πρόσφατα άρχισαν να χρησιµοποιούνται πολυδεσµικές (multibeam) κεραίες για την ταυτόχρονη επικοινωνία µε τουλάχιστον 20 δορυφόρους 28

ορυφορικές µπάντες συχνοτήτων 4 GHz (3.7-4.2 GHz) f d σε συνδυασµό µε τη συχνότητα των 6 GHz (5.925-6.425 GHz) f u (C) 12 GHz (10.95-11.2 GHz) και (11.45-11.7 GHz) f d σε συνδυασµό µε τη συχνότητα των 14 GHz (14.0-14.5 GHz) f u (Ku ) 17 GHz f d (17.7-21.2 GHz) σε συνδυασµό µε τη συχνότητα των 30 GHz f u (27.5-31.0 GHz) (Ka) Γιανααποφεύγονταιοιπαρεµβολές η απόσταση GEO δορυφόρων πρέπει να είναι τουλάχιστον 500 km όταν λειτουργούν στη ζώνη C και περίπου 300 km όταν λειτουργούν στη ζώνη Ku. Εποµένως ο αριθµός των δορυφόρων που µπορούν να εξυπηρετήσουν µια γεωγραφική περιοχή είναι περιορισµένος (40 FSS και 8DBS) 29 Τεχνικές µετάδοσης ιαµόρφωση FM PSK Tο δορυφόροπρέπεινατονχρησιµοποιούν περισσότεροι από ένας δορυφορικοί σταθµοί εδάφους και να επιτυγχάνονται πολλαπλές ζεύξεις δύο δρόµων Πολλαπλή πρόσβαση µε διαίρεση συχνότητας (FDMA Frequency Division MA) Πολλαπλή πρόσβαση µε διαίρεση χρόνου (ΤDMA Time Division MA) Πολλαπλή πρόσβαση µε διαίρεση κώδικα (CDMA Code Division MA) 30

ορυφορικές Υπηρεσίες I Σταθερές δορυφορικές υπηρεσίες (FSS - Fixed Satellite Services) Σύνδεση µετοσυµβατικό επίγειο τηλ/κό δίκτυο (τηλεφωνία, τηλεγραφία/telex, τηλεόραση, µετάδοση δεδοµένων, ολοκληρωµένες υπηρεσίες ISDN και µετάδοση επειγόντων περιστατικών) ορυφορικές υπηρεσίες άµεσης εκποµπής (DBSS - Direct Broadcast Satellite Services) Κινητές δορυφορικές υπηρεσίες (ΜSS - Mobile Satellite Services) ορυφορική υπηρεσία ραδιοεντοπισµού και ραδιοπλοήγησης (GPS) Μετεωρολογική δορυφορική υπηρεσία ορυφορική Υπηρεσία έρευνας διαστήµατος και εξερεύνησης της γης VTC (Video TeleConference), SNG (φορητό uplink- Fixed receive only terminal) 31 ορυφορικές Υπηρεσίες II 32

Τεχνολογία VSAT Με την εξέλιξη της τεχνολογίας αύξηση της εκπεµπόµενης ισχύος από το δορυφόρο + εκποµπή µε spot beams VSAT (Very Small Aperture Terminal) : ( ιάµετρος κεραίας 1-1.8m) Ku band (56 kbps) C band (9.6 kbps), δίκτυα Αστέρα, τραπεζικές συναλλαγές, remote processing, τηλεφωνία Master Earth Station Host computer VSATs 33 DBS Direct Broadcast Satellite Ψηφιακή TV + MPEG Υψηλή εκπεµπόµενηισχύς f d :12 GΗz - κεραία ληψης διαµέτρου 50cm Μεταδοση 150 TV καναλιών at home 34

H Ελληνική πραγµατικότητα (ΟΤΕ) είναι ιδρυτικό µέλος του INMARSAT Οι δορυφορικές µας επικοινωνίες εξυπηρετούνται από 12 δορυφορικούς σταθµούς εδάφους των οποίων οι κεραίες στοχεύουν δορυφόρους των οργανισµών ΙNTELSAT, EUTELSAT και INMARSAT και τον HELLASSAT (πρώτος Ελληνοκυπριακός δορυφόρος, διαθέτει 30 αναµεταδότες µε δύο σταθερές δέσµες που καλύπτουν την Ευρώπη και δύο κινητές µε δυνατότητες κάλυψης περιοχής όπως Άπω Ανατολή, Αφρική και Μέση Ανατολή. Ο Hellas-Sat 2 είναι ιδανικός για DTH ραδιοφωνικές υπηρεσίες, διανοµή των τηλεοπτικών και ραδιοφωνικών σηµάτων, των στοιχείων και των υπηρεσιών IP, και των προηγµένων τηλεπικοινωνιακών υπηρεσιών όπως τα δίκτυα VSAT) 35