Bezdrátové přenosy

Úvod

Zásadní nevýhodou všech linkových (drátových) přenosových cest je jejich stacionární povaha a neschopnost vyjít vstříc uživateli, který se potřebuje se svým počítačem pohybovat - ať již v rámci jedné místnosti, jedné budovy, jednoho města, jedné země či celé planety. Řešením pak jsou nejrůznější bezdrátové přenosové technologie, které se v současné době stávají velmi populární.

Současná popularita bezdrátových přenosů není zdaleka dána jen potřebami mobilních uživatelů. Bezdrátové technologie se dnes uplatňují i tam, kde prakticky k žádným pohybům nedochází, a to právě díky své 'bez-drátovosti', neboli díky absenci jakýchkoli hmotných vodičů resp. drátů, které by bylo třeba někde pokládat, natahovat, zakopávat apod. Leckdy se totiž ukazuje, že právě tento moment hraje klíčovou roli: například v historických budovách chráněných památkovými úřady není možné rozkopat zeď a natahovat kabely, a tak se zde musí zvolit bezdrátové řešení. Nebo při potřebě překlenout veřejné prostranství může být použití vhodné bezdrátové technologie jediným schůdným řešení, nebo třeba řešením ekonomicky či jinak nejvýhodnějším.

Využití elektromagnetického spektra

Při bezdrátových přenosech se využívá šíření elektromagnetických vln, charakteristických zejména svou frekvencí a od ní odvozenou vlnovou délkou.

Základní představu o využití celého elektromagnetického spektra pro bezdrátové přenosy dává obrázek 2‑

obrázek ‑1

Ty části spektra, které lze využít pro přenosy dat jsou rádiová, mikrovlnná, infračervená a viditelná část spektra. Vyšší části spektra (UV, rentgenové záření či gama záření) by sice teoreticky měly být k přenosům dat nejvýhodnější (protože mají největší šířku přenosového pásma, a měly by tudíž dosahovat nejvyšších přenosových rychlostí), ale z praktických důvodů nejsou pro datové přenosy použitelné. Nejen že je lze jen velmi obtížně modulovat (tj. 'nakládat' na ně potřebný informační obsah), ale hlavně jsou lidskému zdraví škodlivé.

Druhy přenosů

Rádiové přenosy

Elektromagnetické vlny v rádiové části spektra lze poměrně snadno generovat i přijímat, jejich dosah může být relativně velký, a mohou dokonce i prostupovat budovami a tak se s úspěchem používají jak uvnitř budov, tak i na otevřeném prostranství. Šíření rádiových vln je všesměrové, což znamená že antény příjemce ani odesilatele nemusí být nějak speciálně směrovány.

Další vlastnosti rádiových vln pak již jsou více závislé na konkrétní frekvenci - na nižších frekvencích vlny snáze prochází skrz překážky, ale jejich 'síla' s narůstajícími vzdálenostmi velmi rychle slábne. Naopak rádiové vlny vyšších frekvencí mají tendenci šířit se více přímočaře, a odrážet se od nejrůznějších překážek. Mnohem více jsou také závislé na povětrnostních vlivech, například na dešti a mlze.

Vzhledem k relativně velkému dosahu rádiových vln je velmi důležitá koordinace konkrétních frekvencí a dílčích frekvenčních pásem, tak aby nedocházelo k nežádoucímu vzájemnému ovlivňování či 'prolínání' jednotlivých přenosů. Proto také musí být v oblasti rádiových vln relativně nejsilnější a nejpřísnější centrální 'dohled' nad přidělováním jednotlivých frekvencí a jejich využitím. Pro potřeby datových přenosů jsou rádiové vlny poněkud handicapovány svou nepříliš velkou šířkou přenosového pásma.

Mikrovlnné přenosy

V pásmu nad 100 MHz se elektromagnetické vlny mohou šířit již velmi přímočaře, a tak je možné soustředit veškerou jejich energii do poměrně úzce směrovaného paprsku . Vyžaduje to použít na obou stranách vhodnou směrovou (parabolickou) anténu, a navíc je nutné tyto dvojice antén dosti pečlivě zaměřit proti sobě. To může být i dosti nepříjemným problémem, například při různých povětrnostních vlivech (např. větru) , které dokáží pozměnit nasměrování antén. Na druhé straně úzce směrové šíření v mikrovlnném pásmu snižuje problémy s vzájemným ovlivňováním a přeslechem jednotlivých přenosů, a znesnadňuje také případný odposlech.

Úzce směrované mikrovlny dokáží cestovat na relativně dlouhé vzdálenosti, ale pouze na přímou viditelnost. Ta je v praxi limitována jak terénními překážkami, které mikrovlny nedokáží obejít, tak i zakřivením země - pokud je pak nutné překlenout pomocí mikrovlnných přenosových tras delší vzdálenosti, je nutné budovat 'retranslační stanice' ve vhodných vzdálenostech od sebe, a po dvojicích na přímou viditelnost od sebe. V praxi to bývají maximálně desítky kilometrů mezi jednotlivými stanicemi. Díky retranslačním stanicím je pak ale možné budovat relativně výkonné, laciné a rychlé přenosové trasy i na poměrně velké vzdálenosti.

Přenosy v mikrovlnné části spektra ovšem nemusí být řešeny jen jako úzce směrované, a tudíž použitelné jen mezi vysloveně statickými přijímači a vysílači, které mohou být na sebe přesně nasměrovány. Antény základnových stanic mohou být řešeny například i tak, aby pokrývaly celé své okolí či jen jeho určitou část, a umožňovaly druhým komunikujícím stranám pohyb v rámci tohoto území a svého dosahu - právě na tomto principu jsou řešeny dnešní mobilní komunikace typu GSM. Ty se musí mj. vyrovnat i s tím, že mají k dispozici pouze určitý omezený počet přenosových kanálů (úzkých dílčích částí spektra), které mohou svým uživatelům dynamicky přidělovat, aby se jejich přenosy vzájemně nerušily. Zde proto byly vyvinuty různé techniky hospodaření s dostupnými (resp. přidělenými) částmi spektra, z nichž asi nejznámější je tzv. buňkový (celulární) princip fungování.

Přenosy v úzkém frekvenčním pásmu

Bezdrátové vysílání může být prováděno pomocí signálu soustředěného do velmi úzkého frekvenčního pásma. To na jedné straně šetří frekvencemi, kterých rozhodně není nadbytek, ale na druhé straně to vyžaduje dosti přesné naladění obou komunikujících stran na stejnou frekvenci, a je také více citlivé na různá rušení. Úzké směrování paprsků dovoluje využít shodných kmitočtů i na omezeném území, podmínkou spolehlivé činnosti je však plánovité přidělování kmitočtů jednotlivým spojům a povolovací řízení.

Přenosy v rozprostřeném spektru

Alternativou k vysílání v úzkém frekvenčním pásmu je vysílání v širším frekvenčním pásmu než by bylo nezbytně nutné. Výhodou je větší odolnost proti rušení na jednotlivých frekvencích i menší nároky na naladění přijímače a vysílače. V pásmech určených pro průmyslové aplikace (ale i např. pro mikrovlnné trouby), vědecké experimenty a lékařskou techniku se tak lze vyhnout nejen problémům s interferencí, ale i povolovacímu řízení - pásma označovaná jako ISM (Industrial, Science, Medicine).
Vícebodová komunikace opírající se o všesměrový kanál vychází z principů známých od čtyřicátých let a používaných k utajení komunikace pro vojenské účely. Dnes jsou tyto techniky běžně využívány v civilních aplikacích a řeší řadu problémů spojených s bezdrátovým připojováním mobilních zařízení.

Technologie rozprostření pásma označovaná jako FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) využívá pro komunikaci stanic skupinu více kanálů. Komunikující stanice mění během provozu pracovní kmitočet, na každém kanále pracují po omezenou dobu. Posloupnost přechodů mezi kanály je pseudonáhodná, komunikující stanice mění pracovní kmitočet synchronně a vnějšímu pozorovateli mohou tyto změny připadat jako náhodné. Volba různých (ortogonálních) posloupností dovolí současnou práci více stanic v jednom místě.

obrázek 3.4‑

Podle frekvence přechodů rozdělujeme systémy FHSS na systémy s pomalou (několik změn za sekundu) a s rychlou změnou kmitočtu (stovky změn za sekundu) - viz obrázek 3.4‑1. Provoz v režimu FHSS je využíván ve všech pásmech ISM. Pásmo 2.4 - 2.4835 GHz je pro tento druh provozu rozděleno na 83 kanálů o šířce 1 MHz, pásmo 902 - 928 MHz na 52 kanálů o šířce 0.5 MHz a konečně pásmo 5.725 - 5.850 GHz na 125 kanálů o šířce 1 MHz. Pro provoz v pásmech ISM jsou definována určitá omezení: výkon vysílače musí být omezen na 1 W, práce na jednom kanálu v pásmu 2.4 GHz a 5.7 GHz smí trvat nejvýše 0.4 s během 30 s provozu stanice a kanály mají být využívané rovnoměrně. Pro pásmo 902 - 928 MHz je povolená doba vysílání 0.4 s během 20 s provozu. Tato omezení jsou definována FCC pro Spojené státy, ale jsou aplikována celosvětově. Uvedená omezení vyžadují vystřídat alespoň 75 kanálů v pásmu 2.4 GHz a 5.7 GHz, nebo 50 kanálů v pásmu 902 - 928 MHz.

Do limitu 0.4 s lze odeslat po jednom kanálu celý rámec, k opakování rámce, u kterého došlo k poškození, například interferencí, se již využije kanálu jiného. To, že k provozu není nutné využít všech kanálů pásma, dovolí vyhnout se kanálům rušeným interferencí. Rozdělení pásma na kanály limituje přenosovou rychlost na 1 Mb/s i při použití efektivních modulačních technik.

obrázek 3.4‑2 a) - pomalé skoky – data se mění rychleji než skoky

obrázek 3.4‑2. b) - rychlé skoky – data se mění pomaleji než skoky

Technologie rozprostření pásma označovaná jako DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum), někdy nazývaná také kódový multiplex - CDMA (Code Division Multiple Access) se opírá o poněkud jiný princip. Namísto jednotlivých bitů (symbolů) jsou na nosnou frekvenci namodulovány pseudonáhodné posloupnosti bitů o délce od deseti do tisíců bitů. Nule originálních dat odpovídá určitá bitová posloupnost (např. inverzní), jednotce odpovídá posloupnost jiná viz obrázek. 3.4‑3. Bity rozprostíracích posloupností se nazývají chipy. Délka posloupnosti se liší podle předpokládané aplikace, běžné civilní aplikace používají krátké posloupnosti, vojenské aplikace (u kterých je důležité utajení provozu před odposlechem) používají až tisíců bitů. Vnější pozorovatel má dojem, že je vysílán šum, přijímač, který zná pseudonáhodnou posloupnost, používá pro detekci uložených dat korelační algoritmus.

obrázek 3.4‑3

Podobně, jako je u provozu FHSS omezena doba práce na každém z kanálů, je u provozu DSSS zdola omezena. délka bitové sekvence pro jeden symbol. Limit (opět stanovený FCC pro Spojené státy) je deset bitů na symbol. Omezení na deset bitů dovolí dosáhnout přenosové rychlosti 2 Mb/s v pásmu 902 - 928 MHz nebo 8 Mb/s v pásmu 2.400 - 2.435 GHz. Vzhledem k možnosti rušení v úzkém pásmu je výhodné rozdělit pásmo 2.4 GHz na několik kanálů a pro provoz DSSS vybrat ten z nich, ve kterém k interferenci nedochází.

Technika DSSS začíná efektivně potlačovat interferenci při zhruba 100 bitech na symbol, při nižších poměrech používaných v lokálních rádiových sítích je důležité zajistit, aby základnová stanice slyšela všechna pohyblivá zařízení zhruba stejně silně. Toho lze dosáhnout řízením jejich vysílacího signálu povely v odstředném kanále.

Mobilní přenos

Takto se označuje přenos, při kterém se alespoň jeden z účastníků bezdrátového přenosu pohybuje. Základním problémem takovýchto komunikací je kromě dosahu a kvality přenosy také problém s použitím frekvencí, tak aby každá komunikující dvojice mohla používat samostatnou frekvenci a jednotlivé přenosy se neovlivňovaly navzájem. Pokud se totiž počet vzájemně komunikujících dvojic může dynamicky měnit, není možné jim potřebné frekvence přidělit (alokovat) staticky.

Buňkový přenos

Dnes nejčastěji používané řešení problému s alokací frekvencí u mobilních bezdrátových komunikací spočívá v rozdělení teritoria pohybu na dílčí oblasti (tzv. buňky), do kterých jsou umístěny tzv. základnové stanice. V rámci každé buňky pak pohybující se stanice komunikuje se základnovou stanicí buňky na některé z frekvencí, které jsou pro danou buňku vyhrazeny. Přitom všechny okolní buňky používají odlišné frekvence, tak aby nedocházelo k interferenci (a stejné frekvence mohou být znovu využity až v nesousedních buňkách). Při přechodu pohybující se stanice z jedné buňky do jiné dochází k tzv. předání spojení (handover) ze základnové stanice opouštěné buňky na základnovou stanici nové buňky.

Bezdrátové přenosy

Přenosy v infračervené části spektra jsou s oblibou používány na velmi krátké vzdálenosti např. dálková ovládání televizních přijímačů a podobná zařízení. Také u počítačů se tento způsob komunikace stále více prosazuje například pro komunikaci mezi přenosnými počítači a periferiemi (kupř.tiskárnami). Výhodou je totiž relativní nenáročnost implementace a tudíž i nízká cena. Vzhledem k velmi omezenému dosahu také není zapotřebí žádná licence či povolení od spojů. Velkou nevýhodou je naopak skutečnost, že vlny v infračerveném pásmu neprostupují překážkami (ale mohou se odrážet, například od stropu, čehož se v některých systémech záměrně využívá). Protože infračervené vlny neprostupují skrz překážky, přenosy v jedné místnosti nemohou ohrozit eventuelní souběžný přenos v jiné místnosti (a ze stejného důvodu jsou i relativně odolné vůči vnějšímu odposlechu). Na otevřeném prostranství, mimo budovy, však infračervené přenosy nejsou použitelné - naše sluníčko totiž samo dosti silně září i v infračervené části spektra.

Optické spoje

Optický princip přenosu, používaný u optických vláken, počítá s tím že vlákno se chová jako světlovod a světelný paprsek vede. Optický přenos je ovšem možný i tehdy, kdy světelný paprsek není veden optickým vláknem, ale šíří se volně vzduchem. V praxi se za tímto účelem používají nejčastěji spoje laserové, protože tenký laserový paprsek lze dosti přesně nasměrovat. Přenosová cesta, která takovýmto způsobem vzniká, je svou bytostnou podstatou jednosměrná. Proto se pro vytvoření obousměrné, plně duplexního přenosové cesty musí používat dva proti sobě orientované kanály.

Výhodou laserových spojů je relativně velká šířka přenosového pásma, ale velkou nevýhodou je silná závislost na povětrnostních vlivech. Nedokáží například proniknout skrz déšť či silnější mlhu, a přesnému zaměření laserového paprsku vadí i teplý vzduch, který se ohřívá působením sluníčka a stoupá vzhůru.

Světelné přenosy

Použití optických vláken představuje 'vedenou' variantu přenosů ve viditelné části spektra, kdy světelný paprsek je veden optickým vláknem až na místo svého určení. Stejně tak je ale možné nasměrovat úzký paprsek světla ve viditelné části spektra (typicky pomocí vhodného laseru) a nechat jej šířit vzduchem. Takovéto laserové přenosové systémy jsou již ze své podstaty jednosměrné, a v praxi se proto používají dvojice 'protisměrných' paprsků. Nevýhodou je relativně velká závislost na atmosférických podmínkách, které mohou změnit cílené nasměrování úzkého laserového paprsku tak, že mine svůj cíl.

Mikrovlnné a družicové spoje

Rozlehlé počítačové sítě využívají k propojení svých uzlových počítačů nejčastěji pevné okruhy, pronajaté od spojových organizací. Tyto okruhy jsou obvykle vytvářeny pomocí drátových přenosových cest (různých dálkových kabelů apod.). Existují však i jiné možnosti (kromě veřejných datových sítí) - například mikrovlnné a satelitní spoje.

Přívlastkem mikrovlnné (microwave) se označují elektromagnetické vlny o extrémně krátké vlnové délce resp. velké frekvenci, která je vlnové délce nepřímo úměrná. V praxi se používají frekvence od 1 do 12 GHz (tj. vlnové délky přibližně 30 až 2,5 cm). Vlny o takto vysoké frekvenci již lze, pomocí vhodných parabolických vysílacích antén, soustředit do úzkého paprsku, a ten nasměrovat na přijímací anténu. Úzce soustředěný paprsek vykazuje minimální rozptyl, dovoluje používat relativně malý výkon vysílače a je velmi odolný vůči rušení. Na nižších frekvencích nelze dosáhnout potřebného soustředění, a na vyšších frekvencích se již začíná znatelně projevovat nepříznivý vliv atmosférických jevů, jako např. mlhy a deště.

Vzhledem k přímočarému šíření soustředěného paprsku elektromagnetických vln je dosah mikrovlnných spojů omezen na přímou viditelnost vysílače a přijímače. Ta je určována konkrétními geografickými podmínkami, a samozřejmě také zakřivením Země. Lze ji uměle prodlužovat umisťováním vysílacích a přijímacích antén na co nejvyšší věže. V rovině, kde se uplatňuje pouze vliv zakřivení zemského povrchu, je obvyklý dosah kolem 50 km. Pro překlenutí větších vzdáleností je nutné budovat sít' retranslačních stanic - viz obrázek 3.9.4‑ .

obrázek 4‑1

Dosažitelná přenosová rychlost na mikrovlnných spojích je závislá na použitém frekvenčním pásmu a možnostech přijímače a vysílače. Může dosahovat hodnot až 10 Mbit/sekundu.

Pro počítačové sítě mohou být mikrovlnné spoje výhodné například v městských aglomeracích v těch místech, kde neexistují vhodné drátové přenosové cesty a instalace nových nepřipadá v úvahu (např. v historických jádrech měst).

Přímá viditelnost mezi přijímačem a vysílačem je samozřejmě značně omezujícím faktorem. Jednou z možností, jak se mu vyhnout, je nechat odrazit úzce směrovaný paprsek od horních vrstev troposféry (ve výšce cca 16 km) - viz obrázek 4‑2. Nevýhodou těchto tzv. troposférických spojů je nutnost používat velký výkon vysílače (desítky kW), přičemž přijímaný signál bývá velmi slabý - jen asi 1 nW.

obrázek 4‑2

S další možností - využitím družice - poprvé přišel známý spisovatel sci-fi, Arthur C. Clarke, a to již v roce

1945, tedy 12 let před vypuštěním prvního sputniku.

Dnes se pro družicové spoje (satellite links) používají převážně tzv. geostacionární družice, někdy označované též jako tzv. synchronní družice, které se pohybují ve výšce přibližně 36 000 km nad zemí (vzhledem k poloměru kruhové dráhy 42 164 km je to 35 768 km). V této výšce je doba jejich obletu kolem Země rovna době otočení zeměkoule kolem její osy, což znamená, že se nacházejí vždy nad stejným bodem zemského povrchu - většinou se takto umisťují nad rovník. Ostatní družice obíhají po drahách s výrazně menším poloměrem (cca 300 - 1000 km nad Zemí) a mají tedy kratší dobu oběhu (viz Keplerovy zákony - dále). Sklon roviny dráhy těchto družic s rovinou rovníku je větší než 28,5 °.

Družice může fungovat jen jako pouhý odražeč signálu ­pak jde o tzv. pasivní družice. Výhodnější jsou však tzv. aktivní družice. Ty obsahují vždy několik tzv. transpondérů (transponders), které fungují jako na sobě nezávislé retranslační stanice. Přijímají signál vysílaný ze Země (tzv. up-link signal), převádí jej do jiného frekvenčního pásma, zesilují jej a vysílají zpět směrem k Zemi (jako tzv. down-link signal) - viz obrázek 4‑3

obrázek 4‑3

Pomocí družicových spojů lze vytvořit přenosové kanály a okruhy širokého spektra přenosových rychlostí (až desítek a stovek megabitů za sekundu), které se svými vlastnostmi plně vyrovnají pozemním kabelovým spojům, a v mnohém je i předčí. Družicové spoje však mají i své nevýhody. Tou nejvýraznější je zpoždění, které při přenosu vzniká.

Ze Země na geostacionární družici a zpět dorazí signál přibližně za 250 až 300 ms (podle místa na Zemi, odkud byl vyslán, a ve kterém byl přijat). Budeme-li čekat ještě na potvrzující odpověď, nemůže tato přijít dříve než na cca 500-600 milisekund. A to je velmi dlouhá doba. Ne ani tak pro člověka, jako pro přenosové protokoly, které čekají na potvrzení příjmu od protější strany. Ty musí být vhodně uzpůsobeny, aby velké zpoždění potvrzující odpovědi neinterpretovaly chybně, a nesnažily se příliš brzy o opětovné vyslání již dříve přenesených bloků dat. Proto se využívá pro potvrzování tzv. metoda 'plovoucího okénka' (potvrzování ne každého, ale skupiny n paketů).

Družicové spoje lze využít pro realizaci dvoubodových spojení. Vzhledem ke své povaze však umožňují i přenosy od jednoho zdroje k více příjemcům (tzv. broadcasting, který využívají např. různé satelitní televize), a od více zdrojů k jedinému příjemci (tzv. vícenásobný přístup, multiple access).

Tyto dvě vlastnosti se s úspěchem využívají v datových sítích, vytvářených pomocí družicových spojů.

Používají tak vysoké frekvence, že vystačí jen s relativně malými pozemními anténami resp. s velmi malým úhlem vyzařování. Jednotlivé uzlové body této sítě jsou označovány jako terminály VSAT (Very Small Aperture Terminal).

Datová síť VSAT (VSAT Data Network) předpokládá existenci jednoho centrálního bodu (tzv. hub) a většího počtu terminálů VSAT, přičemž komunikace je možná jen mezi terminálem a centrálním bodem, nikoli přímo mezi dvěma terminály - viz obr. 9.4.4. Důvody jsou především technické a vyplývají ze samotné podstaty družicových spojů. Mnohým aplikacím, které sítě VSAT využívají, však takováto 'centralizovaná' koncepce plně vyhovuje, neboť jde o aplikace, která umožňují velkému počtu uživatelů přístup k jednomu centralizovanému informačnímu zdroji - např. velké databázi, rezervačnímu systému apod.

Obecnou výhodou všech družicových spojů je jejich nezávislost na pozemní komunikační infrastruktuře, možná mobilita pozemních stanic, možnost realizovat spojení i do jakkoli odlehlých a nepřístupných míst, a v neposlední míře také vysoké přenosové rychlosti, kterých lze pomocí družicových spojů dosáhnout.

obrázek 4‑4

Družicové spoje - Základní principy

Družice obíhá zeměkouli po stálé dráze bez jakéhokoli pohonu. Její pohyb se řídí Keplerovými zákony:

Planety (a periodické komety) obíhají okolo Slunce po elipsách v jejichž ohnisku je Slunce.

Průvodič, spojující planetu se Sluncem, opíše ve stejných dobách stejné plochy.

Druhé mocniny oběžných dob se mají k sobě jako třetí mocniny středních vzdáleností od Slunce (tj. velkých poloos elips):
T₁²:T₂² = r₁³:r₂³

elipsy planet se liší od kružnic jen velmi málo.

Ze třetího Keplerova zákona plyne, že podíl T²/r³ je pro kteroukoliv planetu týž, čili nezávisí na ostatních vlastnostech planety (např. objemu nebo hmotě)

Tyto zákony lze aplikovat na soustavu družice - planeta Země:

Družice obíhá po kruhových nebo eliptických drahách jejichž středem nebo ohniskem je Země.

Plocha opsaná spojnicí Země a družice za časovou jednotku je konstantní - viz obrázek 5-1

Druhá mocnina doby oběhu družice je úměrná třetí mocnině délky hlavní poloosy (poloměru ) dráhy Þ určité době oběhu odpovídá určitá výška družice nad Zemí.

obrázek 3.95‑1

Na svou dráhu se geostacionární družice dostávají z dráhy, na kterou jsou vyneseny nosnou raketou (jde o výšky běžných kosmických letů - do 300 km nad Zemí) viz obrázek 3.95‑2.

obrázek 5‑2

Vlastní přechod na kruhovou geostacionární dráhu se děje z nízké kruhové dráhy, přechodem přes eliptickou dráhu viz obrázek 3.95‑3

obrázek 3.95‑3

Je třeba dodat energii pouze dvakrát - poprvé při změně kruhové dráhy na eliptickou a podruhé při změně eliptické dráhy na kruhovou - geostacionární.

Používaná kmitočtová pásma

Pro družici v kosmu připadá v úvahu jeden jediný energetický zdroj - solární panely. Z toho plynou i omezené energetické možnosti jejího vysílače. Proto musí být volena kmitočtová pásma, která mají minimální útlum v atmosféře Země a vzhledem k použitelné kapacitě přenosu jsou co nejvyšší.

Pro družicové spoje se používají různá frekvenční pásma.

Ka: 40 GHz - 26 GHz (0,8 - 1,1 cm)

K: 26,5 GHz - 18,5 GHz (1,1 - 1,7cm)

KU:

X: 12,5 GHz - 8 GHz (2,4 - 3,8 cm)

C: 8 GHz - 4 GHz (3,8 - 7,5 cm)

L: 2 GHZ - 1 GHz (15,0 - 30,0 cm)

P: 1 GHz- 0,3 GHz (30,0 - 100,0 cm)

Např. v C-pásmu (C- band) se ze Země k družici vysílá v pásmu 6 GHz, a v opačném směru v pásmu 4 GHz. Jsou k tomu zapotřebí relativně velké parabolické antény. Tzv. KU­-pásmo (KU-band) pracuje s vyššími frekvencemi (12-14 GHz), což umožňuje používat rozměrově menší antény (o průměru cca 60-100 cm).

Typy družicových datových sítí

V současné době se používají

Dvoubodové spoje - dovolují velkou přenosovou kapacitu. Jde o propojení velmi vzdálených nebo nepřístupných míst vlastním datovým okruhem

Hvězdicovité sítě s HUBem - jedná se spojení na principu virtuálních paketů. Jedna ze stanic je řídící a přes tuto stanici jde všechen provoz : koncová stanice (odesílatel) družice řídící stanice družice koncová stanice (příjemce). Tato varianta nedovoluje velkou přenosovou kapacitu, ale je cenově únosná. Používá přístupovou metodu ALOHA.

Hvězdicovité sítě bez HUBu - jdo o síť s virtuálními okruhy, navazovanými dle potřeby mezi koncovými stanicemi. Tato varianta dovoluje velkou přenosovou kapacitu.

Využití družic

Systém GPS

GPS (Global Positioning System) je systém, vyvinutý americkým ministerstvem obrany pro vojenské účely, sloužící ke zjištění přesné polohy objektu a času kdekoli na Zemi. Existuje ve dvou verzích:

PPS (Precision Positioning Systém) - 'plná' verze, kterou má k dispozici pouze americká armáda a lidé s povolením od amerického ministerstva obrany. Tato verze dosahuje přesností určení polohy a času :

22 m horizontálně, 27 m vertikálně a 100 ns.

Jednodušší verze (uměle degradovaná) pro obecné použití SPS (Standard Position Service) dovoluje určení polohy a času s přesností 100 m horizontálně, 156 m vertikálně a 340 ns.

Historie GPS

Vývoj navigačního systému GPS byl zahájen již v roce 1973. K plnému pokrytí požadoval systém 21 hlavních a 3 záložní satelity obíhající ve výšce 10 183 km s oběžnou dobou 11 hodin 58 minut. První družice byla sice vynesena na oběžnou dráhu již v roce 1978, ale až o patnáct let později obíhal Zemi plný počet družic a systém bylo možno plně využít.

Architektura GPS

Název GPS se používá obecně pro označení družicových navigačních systémů, ale správně je Global Positioning Systém pouze název pro jeden, třebaže nejrozšířenější systém. Navíc je GPS také jen jiné pojmenování systému NAVSTAR (Navigation Systém using Time And Range), který provozuje ministerstvo obrany USA. jedná se o metodu dálkoměrnou založenou na měření vzdálenosti příjemce od některé z družic. Vývoj tohoto původně vojenského systému trval 10 let, do provozu byl dán v polovině 80. let (první družice v roce 1978) a pro civilní účely běžně používán od roku 1991. Vývoj byl ukončen v roce 1994. 29.3.1996 oznámila americká vláda možnost dlouhodobého přístupu ke GPS bez poplatků.

Celý systém sestává ze tří segmentů:

Vesmírný segment, který zahrnuje nominálně 26 družic (minimální potřebný počet je 24 - ve skutečnosti jich bývá více, protože staré, dosluhující družice jsou postupně nahrazovány novými) s dobou obletu Země 12 hodin. Výška družic nad povrchem Země (20 183 km) je volena tak, že jejich konstelace se nad každým místem zemského povrchu opakuje cca každých 24 hodin. Rozmístění jednotlivých družic je rovnoměrné, na šesti kruhových orbitálních drahách se sklonem vůči rovníku cca 55°, vzájemně posunutých o 60° - viz obrázek 6-1. Z každého místa na zemi je v každém okamžiku vidět 5 až 8 družic v oblasti více než 5° nad obzorem. Rychlost družic jim umožňuje vykonat 1 oběh za 11 hodin a 58 minut. Nad územím ČR lze přijmout signály ze 7 družic, vidět j ich je v každém okamžiku 10. Každá z družic je schopna samostatné činnosti bez komunikace s pozemní stanicí po dobu 180 dnů. Je možná i vzájemná komunikace družic mezi sebou a vlastní zjišťování polohy.

obrázek 6.3‑

Základem signálu z družice je poziční kód, systémový čas, časová korekce, údaje o zpoždění signálu a status satelitu. Každá družice má přesný césiový nebo rubidiový oscilátor, který má funkci časového a kmitočtového normálu. Přesnost hodin je větší než 2x10^-13. Na palubě je čtveřice hodin. Z jedněch se odvozuje základní kmitočet 10,23 MHz, ze kterého se generuje nosná frekvence f, datová frekvence a takt pro vytváření pseudonáhodného šumu (PRN), který generuje kód C/A (Coarse Acquisition Code - hrubé měření). Všechny satelity vysílají na stejné frekvenci 1575,42 Mhz Þ využívá se mnohostranný přístup s kódovým dělením CDMA (Code ­Division Multipple Access). Pro přenos dat se používá modulace DSSS ( Direct Sequence ­Spread Spectrum). Generátor kódu C/A pracuje na frekvenci 1,023 Mhz s periodou 1023 kroků = čas 1 ms. Vysílaná data (čas, údaj o čísle dráhy a stavu) přichází s taktovací frekvencí 50 Hz. Tato data modulovaná C/A modulují v BPSK (Bi - Phase - Shift - Keying) modulátoru ještě druhou nosnou o velikosti 1227,6 MHz, která je modulována kódem P (Precision - vyšší přesnost měření, není přístupný bez znalosti speciální šifry). Dále existuje možnost úplného zakódování signálu v případě ohrožení USA kódem Y. Družice jsou opatřeny ochranným štítem před elmg. zářením vzniklým při atomovém výbuchu v kosmickém prostoru.

Řídící segment, který sestává ze soustavy řídících stanic rozmístěných na různých místech povrchu Země (většinou se jedná o oblast rovníku). Hlavní řídící stanice (Master Control Station) se nachází v podzemním bunkru na letecké základně Falcon v Colorado Springs ve Skalistých horách společně s velitelstvím protivzdušné obrany USA. Dalšístanice jsou – pět monitorovacích (Falcon, Havaj, Kwajalein-Mikronésie, Diego Garcia-Indický oceán, Ascension-Atlantský oceán a tři ovládací vysílače (Kwajalein, Diego Garcia, Ascension). Úkolem řídících segmentů je měření signálů ze satelitních družic a jejich zpracování v mamematických modelech, jejichž pomocí se určuje přesná poloha satelitu. Odchylka naměřeného signálu od referenčních poloh monitorovacích přijímačů se předává do řídícího centra a odtud se koriguje poloha satelitů a systémový čas prostřednictvím ovládacích vysílačů. Zpět na satelit jsou vysílány korekční informace o poloze a čase.Umístění některých řídících segmentů je na obrázku 6-2.

obrázek 6.3‑

Uživatelský segment se skládá z antény, citlivého rádiového přijímače, superpřesných hodin a výkonného matematického kalkulátoru. Přijímač GPS přijímá data -informace o poloze a času - nejméně ze čtyř satelitních družic a na základě zpoždění, se kterým data přicházejí, určí svou polohu (souřadnice X, Y, Z, T). Anténa musí na družici “vidět” => nefunguje uvnitř domů a v místech s vysokými překážkami. Vf signál se převede na mf, provede se A/D převod a výsledný signál se zpracuje v digitálním signálovém procesoru. Data se uloží do paměti FLASH EPROM a paměti RAM zálohované baterií. Vnější propojení je možné pomocí konektoru OSX a konektoru rozhraní RS 232C.
Přijímač je 5 - 12ti kanálový, pro získání geodetické délky a šířky postačí 4 viditelné satelity, pro námořní navigaci s konstantní nadmořskou výškou stačí 3 satelity. Pozice přijímače se vyhodnocuje z rozdílu vzdáleností od několika vysílačů, ze znalosti jejich přesné polohy na oběžné dráze a z rozdílu systémových časů.
Signály GPS jsou modulovány na dvě nosné:

1575,42 Mhz - L1 - pro přenos navigačních informací a SPS kódu

1227,60 Mhz - L2 - pro přenos PPS kódu
Modulace se používá fázová.
Každých 30 sekund je vysílán rámec o velikosti 1500 b rozdělený do subrámců o velikosti 300 b. Kompletní data obsahující informace o poloze satelitu, korekční data z řídícího systému, čas na satelitu a jeho vztah k referenčnímu času GPS, tzv. almanach - přibližné údaje o dráze družice, se vysílají ve 25 rámcích (12,5 minuty).

Princip určování polohy:

- pozorovatel při spojení se satelitem GPS může na základě porovnání časového údaje přijímače s časem satelitních hodin měřit dobu letu signálu. Měření je zatíženo chybou danou různou přesností hodin přijímače a vysílače. Je-li určitá poloha na Zemi dána souřadnicemi Xo, Yo, Zo, skutečná poloha se od ní liší o dX, dY, dZ. Vzdálenost k satelitu Sn (n - číslo satelitu) je možné zjistit z doby běhu signálu od satelitu k pozorovateli a z rychlosti světla c

Xn, Yn, Zn - souřadnice satelitu číslo n

Pro polohu pozorovatele tedy dostáváme 4 neznámé - X, Y, Z, d Þ je nutné spojení alespoň se čtyřmi satelity a provedení čtyř nezávislých spojení.

Pro dosažení větší přesnosti se hodnoty naměřené satelity porovnávají s hodnotami naměřenými referenčním pozemským přijímačem Diferenciální GPS – DGPS.

Rušivé vlivy mající vliv na přesnost vysílání : nepřesnost dráhy satelitu, nepřesnost měření času, zpoždění signálu vlivem ionosféry a troposféry, šum přijímače, umělé zkreslení polohy S/A (asi 60 m)

Vývojáři systému úmyslně zanesli do údajů o poloze určitou nepřesnost, která se projeví -zdánlivým pohybem pevného bodu, velikost chyby je zakódována v signálu GPS a označovány jako SA (Selective Availability - záměrné rušení). Odchylka se vysílá ve standardizovaném formátu RTCM ( Radio Technical Commisssion for Maritime). Přijímače schopné pracovat v tomto režimu musí mít tedy vstup RTCM a jsou označovány jako 'Differential Ready'.

Zvýšení přesnosti - pomocí diferenčního měření s referenčním přijímačem, který je na přesně zaměřeném místě a přijímá signály ze satelitů, porovnává svoji polohu a zjišt'uje   rozdíl, ze kterého určuje diferenční signál ( stanoviště vysílače Praha - Žižkov). Velikost odchylky je pak vysílána na přijímače GPS. Regulace odchylky platí pro přijímače v okruhu 200 km. Základní přesnost měření polohy civilních přijímačů je 100 m v horizontálním a 150 m ve vertikálním směru a jsou v ceně řádově 7 - 15 000,- Kč.

Při znalosti vyrovnávacího algoritmu se přesnost značně zvyšuje, bez aktivního SA se dá dosáhnout běžně přesnosti 25m. Přístroje pracující v tzv. diferenčním režimu mohou dosáhnouti přesnosti 1 - 5m. Podle informací společnosti BOEING, která systém testovala, provedla am. společnost United Airlines v r.1997 s použitím GPS více než 100 zkušebních automatických přistání, při kterých dopravní letoun dosedal na přistávací plochu s přesností menší než 1 palec = 2,54 cm i při nulové viditelnosti. Pro mm odchylky je nutné měřit ještě fázi nosné vlny a mít k dispozici delší dobu pozorování . Přijímače této třídy stojí však několik set tisíc Kč.

Časová přesnost přijímačů je 130 ns za pohybu, menší než 50 ns ve statickém režimu.

Přijímač může předávat informaci vyhodnocovacímu zařízení ve třech formátech

1 ) binární formát MOTOROLA - speciální formát pro přijímač ONCORE, přenos všech navigačních a řídících signálů se provádí rychlostí 9600 Bd,
2) formát NMEA - 0183 (ASCII, 4 800 Bd) - pro komunikaci s námořními navigačními přístroji přes-es RS 232, přenáší vybraná data a řídící signály,

3) formát LORAN (ASCII, 1200 Bd) - umožňuje náhradu přijímačů LORAN ve starších navigačních přístrojích přijímači ONCORE, přenáší jen jednu výstupní zprávu a základní řídící signál.

Zpracování diferenčního signálu je možné ve formátech NMEA a MOTOROLA, v tomto režimu se dosahuje až 20ti násobného zpřesnění polohy.

Doba, která uplyne od zapnutí přijímače do předání prvních údajů o poloze, se označuje zkratkou TTFF (Time To First Fix) a pohybuje se od 20 s do 25 min v závislosti na stavu napájecích zdrojů a stavu aktualizace vnitřní databáze (počtu zapnutí). Typická doba ustálení měření polohy a nadmořské výšky po prvním zapnutí = studený start je 2min. (zaměření dle oblast) až l0min. ('autolocate'), teplý start je 15 s - 2 min. Napájecí napětí přijímače je většinou 5 V, v aktivním stavu je odběr 220 mA. Přijímače mohou měřit polohu běžně při rychlosti 166 km/h (automobilové), vojenské a letecké přístroje pracují až do rychlosti 1860 km/h (asi 515m/s), zrychlení 4g (39m/s2).

Vlastní sít' GPS mají i státy bývalého Sovětského svazu. Tato sít' se nazývá GLONASS - Globalnaja navigacionnaja sputnikovaja sistema. První družice se objevily na oběžné dráze l2.října 1982. V současnosti má systém 24 aktivních družic, jejichž životnost se pohybuje kolem tří let, nová řada by měla mít životnost pět let. Jedná se o pasivní dálkoměrný systém s kmitočtovým multiplexem, každá družice tedy vysílá na jiném kmitočtu. Vysílání probíhá v pásmu 1 246,4735 - 1 257,364 MHz a v pásmu 602,562 - 1 615,5 MHz. Satelity obíhají po kruhových drahách na třech vrstvách ve výšce 19 100 km, doba oběhu družice je 11 hodin a 15 minut. Přesnost určení polohy je okolo l0 m. Systém byl sice přihlášen i jako civilní, ale není běžně dostupný.

Funkce přijímačů GPS

letecké přístroje - výpočet západu a východu Slunce v určitém místě v daný den, určení okamžité rychlosti, výšky a kursu letícího stroje a jeho snos větrem, plánování letu a změny v jeho průběhu, databáze letišť' včetně technických údajů jalo jsou délka dráhy, její povrch, směr drah, osvětlení drah, komunikační frekvence letišť', vzdálenost, směr a tech. podmínky okolních přistávacích ploch, vstup do omezeného nebo zakázaného vzdušného prostoru. GPS90, GPS95XL, Magellan GPS Map 700

námořní - zobrazení barevných námořních map ve zvoleném měřítku, trasa cesty, až 60 000 orientačních bodů a jejich vzdálenosti, ujeté vzdálenosti, kurs a jeho změny

geodetické - pro pozemní zaměřování, v budoucnosti pro automatické řízení zemědělských strojů

automobilové (např. BMW) - okamžitá poloha vozidla na digitalizované mapě nebo plán města, nejkratší cesta k cíli a vzdálenost k orientačním bodům, používá stejnou obrazovku i pro TV, až 250 programovatelných orientačních bodů (waypoints, WP), automatická informace o 9 nejbližších waypoints, až 20 reverzibilních tras s 30 WP

Další možnosti využití družic

Přenos rozhlasu a televize

Toto využití družic patří k nejstarším. Družice disponuje anténním systémem, který umožňuje vymodelování jakéhosi 'laloku' a tím pokrytí požadovaného území. Díky vývoji nízkošumových zesilovacích prvků je možné používat antény s malým průměrem (okolo 60 cm i méně) a tím zpřístupnit příjem z družice široké veřejnosti. V současné době se rozšiřuje i kódované vysílání (zvlášť placené kanály). Pro toto využití se používají geostacionární družice.

Přenos telekomunikací

Pomocí družic je možné propojit jednak statické telekomunikační sítě. Ovšem vzhledem k velké výšce nad povrchem Země a tedy i velkému zpoždění signálu je nutno používat náročné naváděcí anténní systémy.
V oblastech , kde nejsou mobilní telefonní systémy (ať z důvodů geografických - lodi na oceánech, letadla, nebo ekonomických - rozvojové země) nahrazuje tyto družicový přenos. V současné době jsou nejznámější systémy INMARSAT a IRIDIUM. Jedná se o soustavy družic, které v každém okamžiku pokrývají každé místo na povrchu Země. Tyto družice mají nízké oběžné dráhy, což umožňuje získat z nich silný signál a tedy stačí k jeho příjmu nepříliš náročné a složité přijímače. Tato varianta nabízí pouze malou kapacitu a cena hovoru je velmi vysoký (80 - 260 Kč/min).

Meteorologická měření, předpovědi počasí
Pro tato měření se využívají jak stacionární tak nestacionární družice. Země je snímkována v těch částech spektra, které jsou ovlivňovány vlastnostmi atmosféry.

Monitorování zemského povrchu (průzkum přírodních zdrojů)
Buď pasivně, kdy se měří odraz slunečního záření nebo aktivně, kdy se používá systém podobný radarovému měření - odraz vyslaného signálu. Povrch země je snímkován v těch částech spektra, která jsou ovlivněna zkoumanými jevy jako např. vegetace, zásoby nerostných surovin….

Astronomie a kosmonautika

Navigace