SATELITNÍ A MOBILNÍOPTICKÉ SPOJE

O. Wilfert, H. Henniger, Z. Kolkawilfert@feec.vutbr.cz,

hennes.henniger@dlr.dekolka@feec.vutbr.cz

Ústav radioelektronikyFEKT VUT v Brně

Praha, říjen 2007

Osnova

1 Úvod1.1 Poznámky z historie optických bezkabelových komunikací1.2 Definice optického bezkabelového spoje

2 Satelitní optické spoje2.1 Oběžné dráhy družic Země2.2 Projekty satelitních optických spojů

3 Mobilní optické spoje3.1 Základní charakteristika mobilních optických terminálů3.2 Projekty mobilních optických spojů

4 Závěr

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!

Princip Bellova „photophonu“

Alexander Graham BELL, Ph.D., "On the Production and Reproduction of Sound by Light", AmericanJournal of Sciences, Third Series, vol. XX, n°118, Oct. 1880, pp. 305- 324.

zrcadlomodulátor

přijímač

zdroj (Slunce)

Bellova publikace „photophonu“:

Definice:Optickým bezkabelovým spojem

se rozumí komunikační technologie, která přenášísignál 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 použitíoptického kabelu je nemožné, požadovaná přenosovárychlost je pro mikrovlnný spoj příliš vysoká a/nebo se vyžaduje vysoká bezpečnost přenosu.)

1.2 Definice OBS

Vzhledem k energetice spoje je požadovaná maládivergence svazku, což činí vysoké nároky na systém APT(acquisition, pointing and tracking)

Photo-detektor

Optické terminály s azimutální a elevační montáží

1.2 Definice OBS (1.VIDEO-Acquisition)

1.2 Definice OBS

Propustnost „čisté“ atmosféry

měřeno na úrovni mořské hladinyL12 = 1km; Δλ = 1,5nm

používanéoblasti

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

1. Technika samoopravných a detekčních kódů (FEC, ARQ)2. Adaptivní optika3. Vysílání více svazků v jednom směru4. Použití více optických nosných v jednom svazku (WDM)5. Citlivý a dynamický systém směrování (APT)6. Použití koherentní metody přenosu

Pro zvýšení spolehlivosti OBS se uplatňují:

1.2 Definice OBS

1.2 Definice OBS

Dělení optických bezkabelových spojů podle umístění a podmínek, ve kterých pracují

vnitřní (indoor)stacionární

OBS atmosférickémobilní

vnější (outdoor)

pracující v blízkém kosmu (používají zemské satelity)

satelitnípracující ve vzdáleném kosmu (používají satelity Měsíce, Marsu apod.)

1.2 Definice OBS

Znázornění jednotlivých vrstev atmosféry a nosičůkomunikačních terminálů

(min. 200km)

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

LEO (< 2000 km)

MEO (5000 -15000 km)

GEO(35786 km)

Inter-Orbit-Link (IOL)

Inter-Orbit-Link (IOL)

GEO (ISL) Inter-Satellite-Link

MEO (ISL) Inter-Satellite-Link

LEO (ISL) Inter-Satellite-Link

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)

ARTEMIS, GEO(Advanced Relay and TechnologyMission Satellite)

SPOT-4, LEO, 832 km(Satellite Pour l‘Observationde la Terre)

ARTEMIS

SPOT-4

pozemské stanice

pásmo Ka(23/26 GHz)

pásmo S(2 GHz)

(GEO)výška 31000km

(LEO)výška 832km

optické pásmo(800 nm)

listopad 2001Tx: LD GaAlAs (800 nm), Rx: APD;50 Mb/s @ 10-9

2.2 Projekty satelitních optických spojů

2. Projekt „Kirari“ OICETS podporovaný ESA a japonskou JAXA(Optical Inter-orbit Communication Engineering Test Satellite)

ARTEMISGEO, 36 000 km

„Kirari“ OICETSLEO, 610 km

JAXA – Japan Aerospace Exploration Agency

prosinec 2005parametry experimentu viz SILEX

2.2 Projekty satelitních optických spojů

3. Společný projekt japonských institucí JAXA a NICT(National Institute of Information and Communication Technology)

„Kirari“ OICETSLEO, 610 km

březen 2006;světové prvenství:sat. LEO – pozemská stanice

Pozemská stacionární stanicev Koganei, Tokio

Laserový paprsek po průchodu oblačnou oblohou a korunou stromu

(Byl ověřen systém APT)

2.2 Projekty satelitních optických spojů

4. Projekt LOLA Optická komunikace mezi ARTEMIS (GEO) a letounem

francouzský letoun Mystére 20; výška 6 km a 10 km

prosinec 2006;světové prvenství:satelit – letoun

(dokonalý systém APT)

Celkem bylo uskutečněno:ARTEMIS - stac. stanice,ARTEMIS - satelit (LEO),ARTEMIS – letoun.

3.1 Základní parametry mobilních terminálůMobilním 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 aerialvehicle), 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

Pointing Acquisition and Tracking Computer

Pointing Assembly

Laser Driver Electronicsand beacons

Optical Amplifier

TMTCGyroscopes

Signal electronic

Weight: 17.54 kg

1. Řešení “první míle“ mobilním OBS(projekt řešený ve spolupráci VUT v Brně a Český Telecom)

vzpěry

Hlavice OBS

Polohovací plošina

4 optické svazky

3.2 Projekty mobilních optických spojů

srpen 2004

3.2 Projekty mobilních optických spojů

2. EU-FP6 projekt CAPANINA (13 partnerů včetně 2 japonských)(Communications from Aerial Platforms Providing High BandwidthCommunications for All)

Základna ESRANGE (European Space Range), u Kiruny, Švédsko

srpen 2005

Optický výkon 100 mW (Tx na HAP)Výška 22 km, dosah 60 kmPřenosová rychlost 622Mb/s a 1,25 Gb/sPoužitá modulace IM/DD, OOKChybovost 10-9

Délka vlny nosné 1550 nm

Laserový maják: 986 nm; 200 mW

TOGS, Transportable OpticalGroud Station (DLR)

Uspořádání a výsledky experimentu CAPANINA

FELT, Freespace Experiment Laser Terminal (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)

Mobilní OGS, Optical GroundStation Wessling, Německo

„Kirari“ OICETSLEO, 610 km

červen 2006obousměrná komunikace5OMb/s @ BER=10-6

3.2 Projekty mobilních optických spojů

4. Společný projekt DLR (Wessling) a Carl-Zeiss Optronics (Oberkochen):MOND (Mobile Optical Near-Ground Demonstrator) (VIDEO_ATENAA)

Terminál umístěný na pohybujícím se vozidle

Diagram oka a svazek vysílaný

ze stacionárnípozemské stanice

(snímaný CCD kamerou)

únor 2007

Pohybující se vozidlo bylo vybavené inerciálním navigačním senzorem (podporovaným systémem GPS) poskytujícím informaci systému APT. Komunikační kanál pracoval na optickénosné 1550 nm a přenášel video signál (HDTV) s přenosovou rychlostí 1,5 Gb/s. Použití techniky speciálního kanálového kódování zabezpečilo odolnost přenosového systému proti přerušenísvazku náhodnou překážkou.

3.2 Projekty mobilních optických spojů

5. Projekt Terra-SAR-X(Německý satelit na LEO, výška 510 km)

červen 2007

Kosmický terminál pro koherentní optickou komunikaci byl vyvinutý ve spolupráci DLR a Tesat-Spacecom

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.

4. Závěr

Není pochyb o tom, že technologie OBS je připravena k použitíjak ve funkci satelitních, tak mobilních spojů

význam vysoké přenosové rychlosti a bezpečnosti přenosusatelitní a/nebo mobilní OBS budou jedním z hlavních článkůbezkabelových komunikačních sítípřipravuje se optická komunikace ve vzdáleném kosmu mezi družicíMarsu a zemskou stanicí (MTO, Mars Telecommunication Orbiter)k překonání slabé stránky OBS - závislosti přenosu na stavu atmosféry – slouží techniky FEC a ARQ kódůvzájemné nalezení stanic v prostoru a plynulé sledování řeší velmi citlivý a dynamický systém APT, podporovaný GPSdeformaci vlnoplochy přijímané optické vlny lze řešit použitím adaptivních optikyzvýšení odolnosti spoje proti rušivým vlivům záření pozadí se řešímetodou koherentní optické komunikacepro další zvýšení citlivosti přijímače jsou vyvíjeny speciální APD fotodiody (Geiger-Mode APD)

Děkuji za pozornost!