Telekommunikációs rendszerek Alkalmazások előadás anyag Miskolci Egyetem Villamosmérnöki Intézet Automatizálási Tanszék Telekommunikációs rendszerek Alkalmazások előadás anyag Készítette: Dr Taszner István 2000

Telekommunikációs Rendszerek 2 Űrtávközlési rendszerek Alapvető fogalmak Műholdpályák a műhold pályára állítása után hajtóművek nélkül, a gravitációs hatásoknak megfelelően kering a Föld körül (ld. gravitációs és Kepler törvények) általános esetben a pálya egy síkban elhelyezkedő ellipszis, melynek egyik fókuszpontjában a Föld van Rf= 6378 Km a Föld sugara, a és b az ellipszis féltengelyei a pálya földközeli pontja a Perigeum, Földtől legtávolabbi pontja az Apogeum a pálya magassága speciális esetben a pálya kör alakú a pálya síkja az Egyenlítővel különböző szögeket zárhat be

Telekommunikációs Rendszerek 3 Űrtávközlési rendszerek Műholdpályák megválasztásának szempontjai lefedési terület: a Föld felszínének mely területéről lesz látható a műhold alkalmas emelkedési (elevációs) szögben Pályamagasság (h): a pillanatnyi pályasugárból (r), számítható az excentritás (e) felhasználásával, a szakaszcsillapítást és a terjedési időt befolyásolja

Telekommunikációs Rendszerek 4 Űrtávközlési rendszerek Általánosan használt pályatípusok Geostacionárius pálya, Geostationary Earth Orbit (GEO) a műhold a földi megfigyelő pontból nézve állni látszik - keringési ideje megegyezik a Föld forgási idejével  fixen irányított antennákkal vehető kör alakú egyenlítői pálya, magassága h=35784 Km 10° elevációs szög mellet a Föld felszínének közel 35%-át lefedi a 81° szélességi foktól a sarkvidékek felé nem látható a nagy pályamagasság miatt nagy a jelkésleltetés (~260 ms Föld-műhold-Föld) nagy szakaszcsillapítás (10 GHz-en ~204 dB)  nagy nyereségű antenna, nagy adóteljesítmény, kiszajú vevőegység szükséges

Telekommunikációs Rendszerek 5 Űrtávközlési rendszerek Alacsony pálya, Low Earth Orbit (LEO) általános helyzetű (inklinációs szögű) és excentritású pálya az átlagos pályamagasság 500-5000Km a pálya excentritása általában nem túl nagy, gyakran kör alakú, a nagy excentritású pályák külön csoportba sorolhatók (Highly Elliptical Orbits) alkalmas a sarkvidéki területek lefedésére a kis pályamagasság miatt kisebb a szabadtéri csillapítás  kevésbé irányított antennák kisebb késleltetés a műholdak "vándorolnak" az égen az irányított földi antennát követő rendszerrel kell felszerelni egyetlen műhold csak bizonyos ideig látszik  több műholdra van szükség a folyamatos kommunikációhoz Közepes magasságú pálya, Medium Earth Orbit megegyezik a LEO-val, de a pályamagasság nagyobb

Telekommunikációs Rendszerek 6 Űrtávközlési rendszerek Műholdpálya megválasztásának szempontjai Ellátandó terület helye és nagysága Eltűrhető szakaszcsillapítás és terjedési idő Föld árnyékában töltött idő áthidalhatósága (napelemek nem működnek) Nap-műhold együttállás okozta kiesés Kommunikáció megszakadhat a megnövekedett termikus zaj miatt A berendezés károsodhat a parabola felületéről reflektált hőtől

Telekommunikációs Rendszerek 7 Űrtávközlési rendszerek A műholdakkal szemben támasztott különleges követelmények A műhold "életének" alapvető fázisai kilövés előtti szakasz az üzemi jellemzők és megbízhatóság vizsgálata szimulált környezetben kilövés és pályára állítás hordozórakéta segítségével a műholdat alacsony elliptikus pályára állítják, majd saját rakétáival eljut a kívánt pályára a legnagyobb igénybevételt jelentő szakasz üzemidő a műhold a kijelölt pályán kering, teljesíti az előírt feladatot élettartamát a véletlen meghibásodásoktól eltekintve a korrekciós rakéták üzemanyag tartaléka és az enrgiaellátó-rendszer elöregedése határozza meg (karbantartás nem lehetséges) megsemmisítés a rakéták üzemanyagának vagy az elektromos energia hiányában a műhold nem tartható tovább a kívánt pályán és helyzetben elhagyja a kijelölt pályát  a Föld légkörébe kerülve elég vagy szükség esetén mesterségesen megsemmisítik

Telekommunikációs Rendszerek 8 Űrtávközlési rendszerek Kilövés szárazföldi, tengeri kilövőállásokból vagy 7-10Km magasságban repülőgép fedélzetéről is indíthatók a rakéták geostacionárius pályák esetén kedvezőek az Egyenlítőhöz közeli indítóállások felbocsátható hasznos terhelés LEO esetén 1-20t, GEO esetén 0,5-10t elsősorban a kilövésnél döntő a műhold kis tömege és térfogata Energiaellátás akkumulátorok (NiCd, NiMH), kilövéstől a napelemek üzembe helyezéséig és a Föld árnyékban eltöltött időszakokban biztosítják az energiaellátást napelemek, a napsugárzás intenzitása 140mW/cm2, a napelemek hatásfoka 8-10%, 100W teljesítmény 0,7m2 felületen nyerhető - izótópos és nukleáris generátorok, ritkán alkalmazzák a korlátozott energia miatt az üzem során döntő a műhold elektromos berendezéseinek jó hatásfoka Környezeti hatások nyomás 10-6-10-15Hgmm nincs hőleadás a környezet felé hővezetéssel kozmikus és UV sugárzás, Van Allen övezetek mikrometeoritok gyorsulás, rezgés és akusztikus zaj (140dB) a kilövésnél

Telekommunikációs Rendszerek 9 Űrtávközlési rendszerek Alkalmazási területek A kezdet A Szputnyik 1957 október 4-től sugározta jeleit az űrből  kommunikáció Az USA-ban három helyen mérték a Doppler frekvenciát és ebből meghatározták a pályát  helymeghatározás Kis bitsebességű adatátviteli rendszerek LEO műholdakkal 0,2-0,4 GHz-es sávban működő műholdak az adatforrás fölött elhaladva veszik és tárolják az adatokat, majd a cél fölé érve kisugározzák azokat járművek állapot és helyzet adatainak, gazdasági és kormányzati információk, meteorológiai mérési eredmények továbbítására alkalmasak GONETS, ORBCOM, SAFIR, TEMISAT Digitális hangműsorszórás elliptikus pályás műholdakkal (DAB-S HEO) rádióműsor és a műsorhoz kapcsolódó információ (PAD) sugárzása adatszórás előfizetőknek a földi DAB-T rendszerrel azonos vevőberendezések

Telekommunikációs Rendszerek 10 Űrtávközlési rendszerek Személyi kommunikáció LEO műholdakkal (PCS) az Iridium műholdas mobil- és telepített telefon szolgáltatás 66 db kb. 780 Km magasságban 6 különböző síkú, 86,4°-os inklinációs szögű pályán, 100 perces periódusban keringő műholdból áll kommunikációs lehetőséget biztosít az Iridium mobil telefonok, pagerek és telefonfülkék között, valamint csatlakozik az a földi hálózatokhoz a műholdak közti kommunikáció a 23 GHz-es sávban történik előfizetői készülékek - műhold kapcsolat 1,6 GHz-en QPSK modulációval, FDMA és TDMA rendszerben zajlik a földi hálózatokhoz való csatlakozás (Gateway) 19 (downlink) és 29 GHz-en (uplink) PCM rendszerben történik a földi hálózatba a GSM-ben használt digitális központ kapcsolja hasonló rendszerek ICO-GS, ODYSSEY, COURIER, GLOBALSTAR Üzleti kommunikáció LEO műholdakkal (DtO) TELEDESIC rendszer 840db 700Km magasságban keringő 20-30GHz-es sávban működő műholdból áll (21 pályasík, e=0,00118, inklináció=98°) hasonló rendszerek az M-Star és a SATIVoD műholdas internet kapcsolatok létrehozását szolgálja majd 1,5Gbit/s sebességgel különösen kommunikációs eszközökkel gyengén ellátott területeket céloz meg

Telekommunikációs Rendszerek 11 Űrtávközlési rendszerek Tv műsorszórás geostacionárius műholdakkal közvetlenül vehető (DtH) Tv, kísérőhang és program információ (PAD, E-Guide) átvitelére alkalmas rendszerek egyetlen pozícióban több kopozicionált műhold helyezkedik el (SES ASTRA, EUTELSAT HOTBIRD) egy Rf csatorna átvitelére szolgáló egység a műholdon a transzponder, sávszélessége 18-72 MHz műhold veszi a feladóállomás jeleit és frekvenciában eltolva visszasugározza őket, semmilye feldolgozás nem történik (bend pipe) az egyes transzponderek vivőfrekvenciái a 10,7-12,75 GHz-es tartományban vannak (FDM) egy műholdon általában 16-24 transzponder működik a transzponderekre kapcsolódó antennák horizontális- vagy vertikális polarizációval sugároznak. Az egyes transzponderek frekvenciái egy sávszélességnyivel eltolva követik egymást azonos polarizációban, a két polarizáció csatornái között pedig a sávszélesség felének megfelelő eltolás van

Telekommunikációs Rendszerek 12 Űrtávközlési rendszerek Analóg Tv és rádió műsorszórás egy transzponder egy analóg színes Tv képet és a hozzá tartozó néhány kísérőhangot visz át szélessávú frekvencia modulációval egy Tv csatorna felépítése 5MHz kép f 6,5MHz 7,02 7,20 7,38 7,56

Telekommunikációs Rendszerek 13 Űrtávközlési rendszerek Digitális Tv és rádió műsorszórás (DVB) digitális átvitel esetén egy transzponder 30-40Mbit/s átvitelére alkalmas a veszteséges digitális tömörítési eljárások alkalmazásával transzponderenként 5-30 Tv kép, kísérőhang és kísérő adat (PAD, E-Guide) is átvihető a digitális rendszerek támogatják a Pay Tv (fizető csatornák) és Pay-per-View (fizess, ha nézed) megoldásokat napjainkban véglegesítik a DVB (Digital Video Broadcasting) szabványt, mely az MPEG (Motion Picture Expert Group) Layer 2-es képfeldolgozáson alapszik Az adó oldal felépítése Video encoder Audio encoder Data encoder 1. 2. 3.-16. Program multiplexer Multi- plexer Chan. Cod. Digital modulator Frequency converter uplink

Telekommunikációs Rendszerek 14 Űrtávközlési rendszerek DVB vevő felépítése Downlink Rf converter (outdoor unit) Tuner QPSK demod. FEC CAM Smart Card P Modem SCSI RS 232 Tel Demux MPEG video dec. D/A MPEG audio dec. Video out Audio out Mem.

Telekommunikációs Rendszerek 15 Űrtávközlési rendszerek VSAT (Very Small Aperture Terminal) üzleti kommunikációs hálózat geostacionárius műholdakkal, ISBN (Integrated Satellite Business Networks) a VSAT rendszer fő elemei a felhasználó központi számítógépe vagy hálózata (Host) összekötettés (Backhaul) a Host és a Vsat szolgáltató központi műholdas beadóállomása (Hub) között (lehet földi vagy műholdas) a VSAT szolgáltató központi rendszere (Hub) VSAT állomás a felhasználó távoli telephelyén, csatlakozás a helyi számítógép-hálózathoz vezérlő és felügyeleti rendszer az egyes felhasználók időosztásban (TDMA) veszik igénybe a műhold és a Hub kapacitását a Hub - Vsat irányban (outroute) az átviteli sebesség n×512 kbps a Vsat-Hub irányban (inroute) az átviteli sebesség k×128 kbps a Hub antennája egy 6-8m átmérőjű parabola, a teljes elektronika melegtartalékolt, a megbízhatósága >99,5% egy Hub 64000 terminál kezelésére alkalmas Vsat PES (Personal Earth Station) antennája 1,2-1,8m átmérőjű, adóteljesítménye 1-2W, telepítése egyszerű, ára nem túl magas

Telekommunikációs Rendszerek 16 Űrtávközlési rendszerek VSAT rendszer felépítése

Telekommunikációs Rendszerek 17 Mobil Kommunikáció ÁLTALÁNOS ÁTTEKINTÉS Land Mobile Network (LMN) Jellemzők DLMN PLMN NMT GSM Frekvencia sáv 27MHz;150MHz; 450MHz 900MHz;1800MHz Átvitel jellege Analóg Digitális/kódolt Simplex/Duplex Full duplex Mod. Rendszer AM; NB-FM NB-FM GMSK Külső kapcsolat Zárt (korlátozott) Nyitott (Országos) Nyitott (Nemzetközi) Hívás/hívhatóság Egyedi megoldások TF jellegű Költségek Saját fenntartás Szolgáltató/szla. Szolgáltató/szla Titkosítás Nincs Teljes

Telekommunikációs Rendszerek 18 Mobil Kommunikáció CELLÁS RENDSZEREK Kezdetben drága, járműbe szerelt készülékek  luxus szolgáltatás, ma tömegtermék, első rendszerek a II. Világháború után épültek Korai mobil rádió rendszerek egyetlen, kedvező földrajzi helyen kialakított adóvevő állomáson alapultak Probléma: a rendszer szolgáltatási területe a bázisállomás ellátási területére korlátozódott a rendelkezésre álló frekvencia tartomány korlátozott Megoldás: nagy számú bázisállomás telepítése nagy forgalomsűrűség, nagy kiterjedésű területen lehetséges kis teljesítményű mobil állomások a rádió erőforrások újra felhasználása (az egy adott cellában felhasznált frekvenciák újra felhasználhatók néhány cellával távolabb)

Telekommunikációs Rendszerek 19 Mobil Kommunikáció A mobil rádiórendszerek az alábbi kategóriákba sorolhatóak: A Diszpécser (Zártcélú) Földi Mobil Hálózatok (DLMN) Főként magán hálózatok A kommunikáció a bázisállomások és mobilok csoportjai között Beszéd (szimplex) és adat szolgáltatás lehetséges Különálló rendszerek, egy vállalat távközlési igényeit elégítik ki Korlátozott hozzáférés a PSTN vagy PLMN-ek irányában (alközpontok jellegű funkciók) A legismertebb DLMN-ek az MDTS, az MPT 1327, a TETRA és a különféle zárt célú és nyilvános mobil adathálózatok.

Telekommunikációs Rendszerek 20 Mobil Kommunikáció Nyilvános Földi Mobil Hálózatok (PLMN-ek) Architektúrájuk a cellás ellátáson alapszik A szolgáltatási területet a föld feletti hullámterjedés tulajdonságainak figyelembe vételével kialakított cellákal fedik le Fejlett távközlési szolgáltatásokat nyújtanak, hozzáférést adnak a PSTN és más PLMN rendszerekhez Ilyen rendszerek az AMPS, TACS, NMT, GSM, DCS, stb. A DECT és a zsinór nélküli telefon rendszerek ugyancsak ebbe a kategóriába számítanak, habár ezek tulajdonképpen olyan globális rendszerekhez szolgáltatnak helyi hozzáférést, mint a PSTN vagy PLMN.

Telekommunikációs Rendszerek 21 Mobil Kommunikáció GSM: Global System for Mobile communications Globális mobil rendszer Cellás felépítésű hálózat Digitális átviteltechnikát alkalmaz, a beszéd és adatátvitel digitális feldolgozása nagyrészt szoftveresen történikGIGANTIC SOFTWARE MONSTER Fejlett beszédfeldolgozó eljárások alkalmazása Hullámforma kódolás, VOCODER,HYBRID, RPE-LTP-LPC TDMA-FDMA Szolgáltatásai: Beszéd átvitel ADAT/FAX SMS; Short Message Services (Rövid szöveges üzenetek) SMS CB; SMS Cell Broadcast (Adókörzeti információ) VoIP; Voice over Internet Protocol; Beszédátvitel interneten WAP; Wireless Access Protocol; Internet hozzáférés vezetéknélküli rendszerekben

Telekommunikációs Rendszerek 22 Mobil Kommunikáció MS PSTN B S C T BTS MSC/VLR AuC EIR HLR A GSM felépítése AR  Internet VOIP

Telekommunikációs Rendszerek 23 Mobil Kommunikáció A GSM elemei: HLR; Home Location Register; Honos előfizetői adatbázis Egy vagy több van belőle Az előfizetők adatait tárolja IMSI (International Mobile Subscriber Identity) MSISDN (Mobile Subscriber ISDN number) A mobil pillanatnyi helyzete (MSC address) Az alapvető telekommunikációs szolgáltatások leírása Korlátozások (pl. roaming korlátozás) Kiegészítő szolgáltatások

Telekommunikációs Rendszerek 24 Mobil Kommunikáció VLR; Visitor Location Register; Vendég előfizetői adatbázis VLR ellenőrzi a vendég felhasználókat (roaming) A VLR-be a mobil alábbi adatai kerülnek: IMSI MSISDN Location area code (a mobil eredeti regisztrálási helyének kódja) Az alapvető telekommunikációs szolgáltatások leírása Kiegészítő szolgáltatások

Telekommunikációs Rendszerek 25 Mobil Kommunikáció MSC; Mobile-services Switching Centre; Mobil kapcsoló központ A mobilok közti kapcsolási funkciókat biztosítja a szolgáltatási területén MSC speciális funkció: Mobilok helymeghatározása Hand-over GMSC; Gateway MSC; Átjáró kapcsoló központ Külső hálózatból bejövő hívás esetén felveszi a kapcsolatot a HLR-rel és a hívást a megfelelő MSC felé irányítja

Telekommunikációs Rendszerek 26 Mobil Kommunikáció EIR; Equipment Identity Register; Mobil készülék azonosító regiszter a mobil készülékek adatait tárolja és csoportokba sorolja őket Fehér lista; minden legyártott készülék ide kerül Szürke lista, megfigyelt készülékek (üzemzavar, lopás gyanú) Fekete lista(hibás vagy lopott készülék) Ismeretlen AuC; Authentication Centre; Azonosító adatbázis Az előfizető IMSI és Ki számait tartalmazza Előállítja az azonosításhoz és a titkosításhoz szükséges kódokat

Telekommunikációs Rendszerek 27 Mobil Kommunikáció BSS; Base Station Subsistem; Bázisállomás alrendszer BSC; Base Station Controller; Bázisállomás vezérlő A bizásállomások egy csoportját a BSC vezérli BSC feladata pl. a handover kezelése BTS; Base Transceiver Station; Bázisállomás A PLMN-et alkotó szomszédos cellák lefedik a teljes szolgáltatási területet

Telekommunikációs Rendszerek 28 Mobil Kommunikáció A BTS felépítése egyetlen körsugárzó cella Két adás- és vételi frekvencia Antenna1 Antenna2 TX/RX RX RX F1 RX F2 RX splitter RX splitter TX F1 TX/RX TX combiner TX F2

Telekommunikációs Rendszerek 29 Mobil Kommunikáció A Mobil és BTS rádiókapcsolata Összetett hullámterjedési modellek szükségesek Két-, és több utas terjedés, Diffrakció, reflexiók Diversity eljárások A jelentős interferencia zavar miatt C/N helyett C/I értékkel számolunk A kétutas terjedés jellemzőit figyelembe véve A rádiórendszer teljesítmény egyensúlya Pmobile=2W=33dBm, Lcombiner=4dB, S=4dB  PTRX=41dBm

Telekommunikációs Rendszerek 30 Mobil Kommunikáció MS; Mobile station; A mobil készülék TAF A/D SPEECH PROC DATA CHANNEL COD CYPHER BURST FORM MOD T/R DSP

Telekommunikációs Rendszerek 31 Mobil Kommunikáció Beszédfeldolgozás a mobil készülékben 100010001010 111101001001 . . . . . . . . . . 101101001110 ANALOG DIGITAL CONV SPEECH PROCESSING COMP 10101000 00110100 . . . . . . 10011101 13 kbit/s Enhanced Full Rate CODEC, EFR 8000*13bit = 104 000 bit/s 13 000 bit/s 13 kbit/s Full Rate CODEC, FR 6,5 kbit/s Half Rate CODEC, HR

Telekommunikációs Rendszerek 32 Mobil Kommunikáció A GSM azonosítók MSISDN Mobile Station ISDN Number = CC + NDC + SN CC = Country Code 36 NDC = National Destination Code 30 SN = Subscriber Number IMSI International Mobile Subscriber Identity=MCC + MNC + MSIN MCC = Mobile Country Code 216 MNC = Mobile Network Code 30 MSIN = Mobile Station Identification Number 1234567890 MCC MNC MSIN National MSI IMSI 3 digits 2 digits Maximum 15 digits CC NDC SN National mobile number Mobile Station ISDN number

Telekommunikációs Rendszerek 33 Mobil Kommunikáció IMEI International Mobile Equipment Identity = TAC + FAC + SNR + (SP), CD TAC = Type Approval Code FAC = Final Assembly Code SNR = Serial Number SP = Spare Digit CD = Check Digit TAC FAC SNR IMEI 15 digits CD 6 digits 2 digits 1 digit

Telekommunikációs Rendszerek 34 Mobil Kommunikáció FDMA és TDMA alkalmazása a GSM rendszerben Ugyanaz a vivőfrekvencia más-más cellákban újra felhasználásra kerül Egy vivőfrekvenciát több mobil készülék is használ időrésekre osztva TCh CCh D3 D2 B1 E3 E2 G1 B3 B2 C1 G3 G2 A1 C3 C2 F1 A2 A3 D1 F3 F2 E1 7/21 CELL PETTERN

Telekommunikációs Rendszerek 35 Mobil Kommunikáció A csatornakiosztás alapjai 890 MHz - 915 MHz (mobil adás) 935 MHz - 960 MHz (bázis állomás adás) 124 csatorna, 200 kHz sávszélesség/csatorna Minden Rf vivőfrekvencia és időrés különböző célokra használható Fizikai-Logikai csatornák hozzárendelése Fontosabb logikai csatornák: BCCH; Broadcast Control Channel Az adott hálózat és cella, illetve a szomszédos cellák adatait sugárzó csatorna FCCH; Frequency Correction Channel A mobil készülék frekvencia szinkronizálását segítő csatorna SCH; Synchronization Channel A mobil készülék keret szinkronizálását segítő csatorna

Telekommunikációs Rendszerek 36 Mobil Kommunikáció CCCH; Common Control Channel Vezérlő csatorna TCH; Traffic Channel Az adott beszélgetést hordozó csatorna, forgalmi csatorna SACCH; FACCH; Slow Associated Control Channel; Fast Associated Control Channel A forgalmi csatornákhoz rendelt vezérlőcsatornák DCCH Dedicated Control Channel Pl. a hívásfelépítéshez kapcsolódó forgalmat biztosító csatorna