SATELITNÍ A MOBILNÍ OPTICKÉ SPOJE O. Wilfert, H. Henniger, Z. Kolka wilfert@feec.vutbr.cz, hennes.henniger@dlr.de kolka@feec.vutbr.cz Ústav radioelektroniky FEKT VUT v Brně Praha, říjen 2007
Osnova 1 Úvod 1.1 Poznámky z historie optických bezkabelových komunikací 1.2 Definice optického bezkabelového spoje 2 Satelitní optické spoje 2.1 Oběžné dráhy družic Země 2.2 Projekty satelitních optických spojů 3 Mobilní optické spoje 4 Závěr 3.1 Základní charakteristika mobilních optických terminálů 3.2 Projekty mobilních optických spojů
1.1 Poznámky z historie A.G. BELL a S. TAINTER, Photophone patent 235,496 granted 1880/12/14 Charles Summer Tainter Alexander Graham Bell Autentické nákresy detailů photophonu
1.1 Poznámky z historie Bell považoval svůj photophon za největší vynález, který kdy udělal; větší než telefon! zdroj (Slunce) Princip Bellova photophonu modulátor zrcadlo přijímač Bellova publikace photophonu : Alexander Graham BELL, Ph.D., "On the Production and Reproduction of Sound by Light", American Journal of Sciences, Third Series, vol. XX, n 118, Oct. 1880, pp. 305-324.
1.2 Definice OBS Definice: Optickým bezkabelovým spojem se rozumí komunikační technologie, která přenáší signál v atmosféře nebo kosmickém prostoru. Optický výkon je soustředěn do jednoho nebo více svazků. Optický svazek může obsahovat několik optických kanálů dělených technikou WDM. (Aplikace je vhodná v situacích, v nichž použití optického kabelu je nemožné, požadovaná přenosová rychlost je pro mikrovlnný spoj příliš vysoká a/nebo se vyžaduje vysoká bezpečnost přenosu.)
1.2 Definice OBS (1.VIDEO-Acquisition) Photodetektor Vzhledem k energetice spoje je požadovaná malá divergence svazku, což činí vysoké nároky na systém APT (acquisition, pointing and tracking) Optické terminály s azimutální a elevační montáží
1.2 Definice OBS Propustnost čisté atmosféry měřeno na úrovni mořské hladiny L 12 = 1km; Δλ = 1,5nm používané oblasti
1.2 Definice OBS OBS jsou zajímavé z několika důvodů: Jejich požití není v současné době vázáno na licenční řízení. Díky velmi úzkému svazku mohou být rušeny nebo odposlouchávány jen velmi obtížně. Potenciál OBS odpovídá - z hlediska šířky pásma přenosu - možnostem vláknové optiky a jsou tedy přirozeným článkem moderních kabelových optických sítí. Mohou pracovat v režimu jednofotonového přenosu s technikou QKD umožňující aplikaci kvantové kryptografie s vysokou bezpečností přenosu. Jednotlivé části spoje se snadno integrují do celku družice.
1.2 Definice OBS Nevýhody OBS jsou: - závislost kvality přenosu na stavu atmosféry - nebezpečí přerušování svazku (oblaka, ptáci apod.) - potřeba přímé viditelnosti mezi hlavicemi - Relativně velké nároky na systém směrování a sledování Pro zvýšení spolehlivosti OBS se uplatňují: 1. Technika samoopravných a detekčních kódů (FEC, ARQ) 2. Adaptivní optika 3. Vysílání více svazků v jednom směru 4. Použití více optických nosných v jednom svazku (WDM) 5. Citlivý a dynamický systém směrování (APT) 6. Použití koherentní metody přenosu
1.2 Definice OBS Dělení optických bezkabelových spojů podle umístění a podmínek, ve kterých pracují OBS vnitřní (indoor) vnější (outdoor) atmosférické stacionární mobilní satelitní pracující v blízkém kosmu (používají zemské satelity) pracující ve vzdáleném kosmu (používají satelity Měsíce, Marsu apod.)
1.2 Definice OBS (min. 200km) Znázornění jednotlivých vrstev atmosféry a nosičů komunikačních terminálů
1.2 Definice OBS (2.VIDEO-SatNetwork) Zahrnutí OBS do bezkabelových sítí WAN
2.1 Oběžné dráhy družic Znázornění satelitních optických spojů na různých oběžných drahách Země MEO (5000-15000 km) LEO (ISL) Inter-Satellite-Link MEO (ISL) Inter-Satellite-Link GEO (35786 km) Inter-Orbit-Link (IOL) GEO (ISL) Inter-Satellite-Link LEO (< 2000 km) Inter-Orbit-Link (IOL) GEO Geostationar Earth Orbit (36 000 km; 24 hod) MEO Medium Earth Orbit (1 200 km 35 000 km; 4x 6x denně) LEO Low Earth Orbit (200 km 1 200 km; 80 min 130 min)
2.2 Projekty satelitních optických spojů 1. Projekt SILEX podporovaný ESA European Space Agency (Semiconductor-laser Inter-satellite Link Experiment) listopad 2001 Tx: LD GaAlAs (800 nm), Rx: APD; 50 Mb/s @ 10-9 SPOT-4, LEO, 832 km (Satellite Pour l Observation de la Terre) ARTEMIS, GEO (Advanced Relay and Technology Mission Satellite) ARTEMIS (GEO) výška 31000km pásmo Ka (23/26 GHz) optické pásmo (800 nm) SPOT-4 (LEO) výška 832km pásmo S (2 GHz) pozemské stanice
2.2 Projekty satelitních optických spojů 2. Projekt Kirari OICETS podporovaný ESA a japonskou JAXA (Optical Inter-orbit Communication Engineering Test Satellite) Kirari OICETS LEO, 610 km prosinec 2005 parametry experimentu viz SILEX ARTEMIS GEO, 36 000 km JAXA Japan Aerospace Exploration Agency
2.2 Projekty satelitních optických spojů 3. Společný projekt japonských institucí JAXA a NICT (National Institute of Information and Communication Technology) (Byl ověřen systém APT) Kirari OICETS LEO, 610 km březen 2006; světové prvenství: sat. LEO pozemská stanice Pozemská stacionární stanice v Koganei, Tokio Laserový paprsek po průchodu oblačnou oblohou a korunou stromu
2.2 Projekty satelitních optických spojů 4. Projekt LOLA Optická komunikace mezi ARTEMIS (GEO) a letounem (dokonalý systém APT) prosinec 2006; světové prvenství: satelit letoun francouzský letoun Mystére 20; výška 6 km a 10 km Celkem bylo uskutečněno: ARTEMIS - stac. stanice, ARTEMIS - satelit (LEO), ARTEMIS letoun.
3.1 Základní parametry mobilních terminálů Mobilním optickým spojem se rozumí OBS, pracující zčásti nebo zcela v atmosférických podmínkách, u kterého se vzájemná poloha komunikujících stanic při přenosu mění Ke komunikaci používají kosmické, vzdušné i pozemské stanice. Pozemské stanice mohou být neseny prostředky pohybujícími se na hladině vody nebo na nerovném terénu. Základními prostředky jsou: satelity Země, stratosférické HAPy (High Altitude Platform), bezpilotní vzdušná plavidla (UAV, unmanned aerial vehicle), klasické letouny a pozemní stacionární i mobilní stanice.
3.1 Základní parametry mobilních terminálů Mobilní OBS: velké nároky na citlivost a dynamiku systému APT Příklad řešení systému APT v projektu CAPANINA Weight: 17.54 kg Pointing Acquisition and Tracking Computer Signal electronic Gyroscopes TMTC Optical Amplifier Laser Driver Electronics and beacons Pointing Assembly
3.2 Projekty mobilních optických spojů 1. Řešení první míle mobilním OBS (projekt řešený ve spolupráci VUT v Brně a Český Telecom) 4 optické svazky Hlavice OBS srpen 2004 Polohovací plošina vzpěry
3.2 Projekty mobilních optických spojů 2. EU-FP6 projekt CAPANINA (13 partnerů včetně 2 japonských) (Communications from Aerial Platforms Providing High Bandwidth Communications for All) srpen 2005 Optický výkon 100 mw (Tx na HAP) Výška 22 km, dosah 60 km Přenosová rychlost 622Mb/s a 1,25 Gb/s Použitá modulace IM/DD, OOK Chybovost 10-9 Délka vlny nosné 1550 nm Laserový maják: 986 nm; 200 mw Základna ESRANGE (European Space Range), u Kiruny, Švédsko
Uspořádání a výsledky experimentu CAPANINA FELT, Freespace Experiment Laser Terminal (DLR) TOGS, Transportable Optical Groud Station (DLR)
Detaily terminálu umístěného na stratosférickém balonu (projekt CAPANINA) APT systém (DLR) rozlišovací schopnost: 9 μrad
3.2 Projekty mobilních optických spojů 3. Společný projekt JAXA a DLR: KIODO (VIDEO-KT7) (Kirari Optical Downlink to Oberpfaffenhofen) červen 2006 obousměrná komunikace 5OMb/s @ BER=10-6 Kirari OICETS LEO, 610 km Mobilní OGS, Optical Ground Station Wessling, Německo
3.2 Projekty mobilních optických spojů 4. Společný projekt DLR (Wessling) a Carl-Zeiss Optronics (Oberkochen): MOND (Mobile Optical Near-Ground Demonstrator) (VIDEO_ATENAA) Pohybující se vozidlo bylo vybavené inerciálním navigačním senzorem (podporovaným systémem GPS) poskytujícím informaci systému APT. Komunikační kanál pracoval na optické nosné 1550 nm a přenášel video signál (HDTV) s přenosovou rychlostí 1,5 Gb/s. Použití techniky speciálního kanálového kódování zabezpečilo odolnost přenosového systému proti přerušení svazku náhodnou překážkou. Diagram oka a svazek vysílaný ze stacionární pozemské stanice (snímaný CCD kamerou) únor 2007 Terminál umístěný na pohybujícím se vozidle
3.2 Projekty mobilních optických spojů 5. Projekt Terra-SAR-X (Německý satelit na LEO, výška 510 km) Koherentní optický spoj pracuje na délce vlny nosné 1064 nm se šířkou pásma přenosu 7 GHz. Pro příjem signálu byly vybrány dvě stacionární pozemské stanice ve Španělsku. Cílem experimentu je zkoumat vliv turbulentní atmosféry na koherentní optický přenos ze satelitu. červen 2007 Kosmický terminál pro koherentní optickou komunikaci byl vyvinutý ve spolupráci DLR a Tesat-Spacecom
4. Závěr Není pochyb o tom, že technologie OBS je připravena k použití jak ve funkci satelitních, tak mobilních spojů význam vysoké přenosové rychlosti a bezpečnosti přenosu satelitní a/nebo mobilní OBS budou jedním z hlavních článků bezkabelových komunikačních sítí připravuje se optická komunikace ve vzdáleném kosmu mezi družicí Marsu a zemskou stanicí (MTO, Mars Telecommunication Orbiter) kpřekonání slabé stránky OBS - závislosti přenosu na stavu atmosféry slouží techniky FEC a ARQ kódů vzájemné nalezení stanic v prostoru a plynulé sledování řeší velmi citlivý a dynamický systém APT, podporovaný GPS deformaci vlnoplochy přijímané optické vlny lze řešit použitím adaptivních optiky zvýšení odolnosti spoje proti rušivým vlivům záření pozadí se řeší metodou koherentní optické komunikace pro další zvýšení citlivosti přijímače jsou vyvíjeny speciální APD fotodiody (Geiger-Mode APD)
Děkuji za pozornost!