Satellitenkommunikation - Exam

Aufgabe 1)

Du arbeitest für eine Firma, die Kommunikationssatelliten entwickelt und betreibt. Der aktuelle Auftrag besteht darin, einen neuen geostationären Satelliten zu entwerfen, der zur Unterstützung globaler Kommunikationsnetze eingesetzt werden soll. Nutze deine Kenntnisse über den Bau und die Funktion von Kommunikationssatelliten, um die folgenden Aufgaben zu lösen:

a)

• Berechne die Verzögerung (Latenzzeit), die entsteht, wenn ein Signal von einer Bodenstation zu einem geostationären Satelliten und zurück zur Bodenstation gesendet wird. Gehe davon aus, dass der geostationäre Satellit in einer Höhe von 35.786 km über der Erde kreist und die Signale mit Lichtgeschwindigkeit (3 x 10^8 m/s) übertragen werden.

Lösung:

• Berechnung der Verzögerung (Latenzzeit):

Um die Verzögerung (Latenzzeit) zu berechnen, müssen wir die gesamte Strecke, die das Signal zurücklegt, und die Geschwindigkeit, mit der es sich bewegt, berücksichtigen. Die Berechnung erfolgt in mehreren Schritten.

• 1. Berechne die Distanz für eine Strecke: Die Höhe des Satelliten über der Erde beträgt 35.786 km. Da das Signal diesen Weg zweimal zurücklegt (Hin- und Rückweg), ist die gesamte Strecke:

\[\text{Gesamtstrecke} = 2 \times 35,786 \text{ km} = 71,572 \text{ km}\]

• 2. Konvertiere die Distanz in Meter:

\[1 \text{ km} = 1000 \text{ m}\]

\[\text{Gesamtstrecke} (in Metern) = 71,572 \times 1000 = 71,572,000 \text{ m}\]

• 3. Berechne die Verzögerungszeit: Die Signale reisen mit der Lichtgeschwindigkeit (\(c = 3 \times 10^8 \text{ m/s}\)).

\[\text{Verzögerung} = \frac{\text{Gesamtstrecke}}{\text{Lichtgeschwindigkeit}} = \frac{71,572,000}{3 \times 10^8} \approx 0,23857 \text{ s}\]

Die Verzögerung (Latenzzeit), die entsteht, wenn ein Signal von einer Bodenstation zu einem geostationären Satelliten und zurück zur Bodenstation gesendet wird, beträgt etwa 0,23857 Sekunden.

b)

• Erkläre den Nutzen und die Funktionsweise der Transponder im geostationären Satelliten. Beschreibe, wie sie dabei helfen, ein Signal von einer Bodenstation zu einer anderen zu übertragen. Gehe dabei auf die Umwandlungs- und Verstärkungsprozesse ein, und erkläre, wie Frequenzbänder (z.B., Ku, C, Ka) bei verschiedenen Anwendungen zum Einsatz kommen.

Lösung:

• Erklärung des Nutzens und der Funktionsweise der Transponder im geostationären Satelliten:

Geostationäre Satelliten sind entscheidend für die globale Kommunikation und spielen eine wesentliche Rolle beim Übertragen von Signalen über weite Entfernungen. Dabei sind Transponder ein zentrales Element dieser Satelliten.

• Transponder ermöglichen die Kommunikation zwischen Bodenstationen, indem sie eingehende Signale empfangen, umwandeln und verstärken, bevor sie diese an eine andere Bodenstation weiterleiten.
• Sie arbeiten in unterschiedlichen Frequenzbändern, um Interferenzen zu minimieren und verschiedene Kommunikationskanäle zu ermöglichen.
• Transponder sorgen für eine zuverlässige und starke Übertragung von Signalen, was besonders wichtig ist für Anwendungen wie Fernsehübertragungen, Internetzugang und Telefonverbindungen.

• Empfang des Signals: Transponder empfangen Signale von einer Bodenstation im sogenannten „Uplink“-Frequenzband.
• Umwandlung und Verstärkung:
  • Down-Konvertierung: Das empfangene Signal wird in eine niedrigere Zwischenfrequenz (IF) umgewandelt. Dies geschieht im „LNA“ (Low Noise Amplifier), der das Empfangssignal verstärkt und die Signalqualität verbessert.
  • Signalverarbeitung: Das IF-Signal wird in der Signalverarbeitungseinheit weiterverarbeitet, welche Aufgaben wie Demodulation, Signalbereinigung und Fehlerkorrektur durchführen kann.
  • Up-Konvertierung und Verstärkung: Das bearbeitete Signal wird in eine höhere Frequenz im „Downlink“-Band umgewandelt und dann im „HPA“ (High Power Amplifier) verstärkt, um daraufhin zurück zur Erdoberfläche gesendet zu werden.
• Senden des Signals: Das verstärkte Signal wird im „Downlink“-Frequenzband an die Zielbodenstation gesendet.

• Transponder arbeiten in verschiedenen Frequenzbändern, um unterschiedlichen Anforderungen gerecht zu werden:
• Ku-Band: Dieses Band wird häufig für Satellitenfernsehen und Datendienste verwendet. Es bietet eine hohe Datendurchsatzrate, jedoch kann es durch schlechtes Wetter (Regen) beeinträchtigt werden.
• C-Band: C-Band-Transponder sind weniger anfällig für atmosphärische Störungen und werden oft für wichtige Kommunikationsdienste eingesetzt, die eine hohe Zuverlässigkeit erfordern.
• Ka-Band: Das Ka-Band bietet noch höhere Datenübertragungsraten und wird zunehmend für Breitbanddienste eingesetzt, jedoch ist wie beim Ku-Band die Anfälligkeit gegenüber wetterbedingten Störungen höher.

Zusammengefasst spielen Transponder eine zentrale Rolle bei der Signalübertragung in geostationären Satelliten. Dank ihrer Fähigkeit, Signale zu empfangen, umzuwandeln, zu verstärken und weiterzuleiten, ermöglichen sie eine effiziente und zuverlässige Kommunikation auf globaler Ebene.

Aufgabe 2)

Ein Kommunikationssatellit befindet sich in einer geostationären Umlaufbahn, aber aufgrund von Störungen durch Gravitationskräfte von Sonne und Mond hat sich seine Umlaufbahn im Laufe der Zeit geringfügig verschoben. Du bist verantwortlich für die Planung eines Manövers zur Bahnanpassung, um den Satelliten wieder in seine ursprüngliche Umlaufbahn zu bringen. Dabei musst Du sicherstellen, dass der Satellit nicht mit anderen Satelliten kollidiert und sein Δv-Budget nicht überschreitet.

a)

Teilaufgabe: Berechne die benötigte Geschwindigkeitsänderung (\text{Δv}) für ein Bahnmanöver, wenn der Satellit von einer leicht elliptischen Umlaufbahn mit einem Perigäum von 35760 km und einem Apogäum von 35890 km in eine kreisförmige geostationäre Umlaufbahn bei 35786 km Höhe gebracht werden soll. Gib die Berechnungen und die verwendeten Formeln vollständig an.

Lösung:

Um die benötigte Geschwindigkeitsänderung (\( \text{Δv} \)) für das Bahnmanöver zu berechnen, müssen wir die Geschwindigkeiten des Satelliten sowohl in der elliptischen Umlaufbahn als auch in der gewünschten kreisförmigen geostationären Umlaufbahn bestimmen.

• Der erste Schritt ist die Berechnung der Orbitalgeschwindigkeiten. Nutzen wir die vis-viva-Gleichung:

v = \sqrt{ \frac{GM}{r} \left( 2 - \frac{1}{a} \right) }

• v die Orbitalgeschwindigkeit
• G die Gravitationskonstante
• M die Masse der Erde
• r der Radius der Umlaufbahn an einem bestimmten Punkt (Perigäum oder Apogäum)
• a die große Halbachse der elliptischen Umlaufbahn.

• Für unsere Berechnungen verwenden wir die angenäherten Werte:

   G = 6.67430 × 10^{-11} \, m^3 \, kg^{-1} \, s^{-2} \, \text{und} \, M = 5.972 × 10^{24} \, kg 

• Bestimmen der großen Halbachse:

  a = \frac{r_{\text{perigäum}} + r_{\text{apogäum}}}{2}

  • r_{\text{perigäum}} = 35760 km + 6371 km (Erdradius) = 42131 km
  • r_{\text{apogäum}} = 35890 km + 6371 km = 42261 km
  • a = \( \frac{42131 \text{ km} + 42261 \text{ km}}{2} = 42196 \text{ km} \)
• Berechnung der Geschwindigkeit im Perigäum (\( v_p \)) und Apogäum (\( v_a \)) der elliptischen Umlaufbahn:

   v_p = \sqrt{ GM \left( 2 - \frac{1}{a} \right) / r_{\text{perigäum}} } \qquad v_a = \sqrt{ GM \left( 2 - \frac{1}{a} \right) / r_{\text{apogäum}} }

• Der zweite Schritt ist die Berechnung der Geschwindigkeit in der geostationären Umlaufbahn:

   v_{\text{geo}} = \sqrt{ \frac{GM}{r_{\text{geo}}} }

  • Hier ist \( r_{\text{geo}} \) gleich 35786 km + 6371 km (Erdradius) = 42157 km

• Setzen wir die Werte ein und berechnen die Orbitalgeschwindigkeiten:
• \( v_{\text{geo}} = \sqrt{ \frac{ 6.67430 × 10^{-11} \, m^3 \, kg^{-1} \, s^{-2} \times 5.972 × 10^{24} \, kg }{ 42157 × 10^3 \, m } } = 3.074 \, km/s \)
• \( v_p = \sqrt{ \frac{ 6.67430 × 10^{-11} \, m^3 \, kg^{-1} \, s^{-2} \times 5.972 × 10^{24} \, kg \left( 2 - \frac{1}{42196 × 10^3 \, m } \right) }{ 42131 × 10^3 \, m } } \approx 3.076 \, km/s \)
• \( v_a = \sqrt{ \frac{ 6.67430 × 10^{-11} \, m^3 \, kg^{-1} \, s^{-2} \times 5.972 × 10^{24} \, kg \left( 2 - \frac{1}{42196 × 10^3 \, m } \right) }{ 42261 × 10^3 \, m } } \approx 3.072 \, km/s \)

• Kombiniere die berechneten Geschwindigkeiten, um die Geschwindigkeitsänderung (\( \text{Δv} \)) zu finden:
  • Um vom Apogäum in die geostationäre Umlaufbahn zu gelangen (wesentlich näher an der tatsächlichen Höhe von 35786 km), beträgt die benötigte Geschwindigkeitsänderung:
  • \( \text{Δv} = v_{\text{geo}} - v_a \approx 3.074 \, km/s - 3.072 \, km/s \approx 0.002 \, km/s \approx 2 \, m/s \)
  • Um vom Perigäum in die geostationäre Umlaufbahn zu gelangen:
  • \( \text{Δv} = v_p - v_{\text{geo}} \approx 3.076 \, km/s - 3.074 \, km/s \approx 0.002 \, km/s \approx 2 \, m/s \)

Zusammenfassend ergibt sich die benötigte Geschwindigkeitsänderung (\( \text{Δv} \)) für das Bahnmanöver von der elliptischen zur kreisförmigen geostationären Umlaufbahn wie folgt:

• Vom Apogäum aus beträgt \( \text{Δv} \approx 2 \, m/s \)
• Vom Perigäum aus beträgt \( \text{Δv} \approx 2 \, m/s \)

b)

Teilaufgabe: Beschreibe ein Phasing-Manöver, das Du verwenden könntest, um nach dem Bahnmanöver die endgültige Feineinstellung der Orbitalperiode des Satelliten vorzunehmen. Erläutere, wie Du die Geschwindigkeitsänderungen in diesem Fall berechnest und wie Du sicherstellst, dass das Δv-Budget eingehalten wird.

Lösung:

Ein Phasing-Manöver ist ein spezifisches Manöver, das eingesetzt wird, um die Orbitalperiode eines Satelliten so anzupassen, dass er eine bestimmte Position in der Umlaufbahn einnimmt, beispielsweise um mit anderen Satelliten zu synchronisieren oder eine Kollisionsgefahr zu umgehen. Dies erfolgt durch geringfügige Anpassungen der Geschwindigkeiten (Δv), um die Umlaufbahn gezielt zu verändern.

• Schritte für ein Phasing-Manöver:
• Das Phasing-Manöver wird in zwei Hauptphasen unterteilt: Ein Insertion Burn und ein Rephasing Burn:
• 1. Insertion Burn:
  • Hierbei wird die Umlaufbahn des Satelliten leicht verändert, sodass seine Umlaufdauer entweder etwas kürzer oder länger als die ursprüngliche geostationäre Umlaufperiode wird.
  • Um die Umlaufperiode zu verkürzen, erhöht man die Geschwindigkeit des Satelliten (prograde Burn), was den Perigäum der elliptischen Transferbahn erhöht; umgekehrt, um die Umlaufperiode zu verlängern, vermindert man die Geschwindigkeit (retrograde Burn), was den Apogäum der Transferbahn senkt.
• 2. Rephasing Burn:
  • Nachdem der Satellit genug Abstand gewonnen hat und den gewünschten Phasenwinkel erreicht hat, führt man ein zweites Manöver durch, um den Satelliten zurück in die geostationäre Umlaufbahn zu bringen.
  • Hierzu wird die Geschwindigkeit entweder wieder reduziert oder erhöht, um die Umlaufbahn wieder kreisförmig zu machen.
• Berechnung der Geschwindigkeitsänderungen:
• Die benötigte Geschwindigkeitsänderung (Δv) bei einer prograde oder retrograde Burn ist abhängig von der gewünschten Änderung der Umlaufperiode und kann berechnet werden mit:

   Δv_1 = v_{current} \times \,\left(\frac{\text{r}_{new}}{\text{r}_{current}} - 1\right) 

  Hierbei ist:
  • v_{current} die momentane Geschwindigkeit in der geostationären Umlaufbahn.
  • r_{new} der neue Umlaufradius nach dem Insertion Burn.
  • r_{current} der momentane Umlaufradius (geostationär).
• Nachdem der Satellit den gewünschten Phasenwinkel erreicht hat, führt man einen zweiten Burn aus, um ihn zurück in die geostationäre Umlaufbahn zu bringen:

   Δv_2 = v_{new} \times \, \left( 1 - \frac{\text{r}_{new}}{\text{r}_{current}} \right) 

• Einhalten des Δv-Budgets:
• Die Summe der beiden Geschwindigkeitsänderungen (Δv_1 + Δv_2) muss innerhalb des Δv-Budgets des Satelliten bleiben.
• Eine sorgfältige Planung ist erforderlich, um die Gesamt-Δv zu minimieren. Dies kann durch Reduzierung der Phasenwinkeländerung oder durch frühzeitige Umsetzung des Manövers erreicht werden.
• Die aktuelle Position und Geschwindigkeit des Satelliten müssen ebenfalls berücksicht werden, um mögliche Kollisionen zu vermeiden.

Zusammenfassend ermöglicht das Phasing-Manöver eine präzise Feineinstellung der Orbitalperiode des Satelliten durch gezielte Geschwindigkeitsänderungen. Die Berechnung des Δv erfolgt in zwei Hauptphasen (Insertion und Rephasing Burn) unter Berücksichtigung der gewünschten Änderung der Umlaufperiode und Einhaltung des Δv-Budgets, um die Positionierung zielgenau zu justieren.

Aufgabe 3)

Fehlererkennung und -korrektur Mechanismen zur Erkennung und Korrektur von Übertragungsfehlern in der Datenkommunikation.

• Fehlererkennung: Prüfsummen (checksums), Fehlererkennungsbits (Paritätsbit, zyklische Redundanzprüfung: CRC)
• Fehlerkorrektur: Vorwärtsfehlerkorrektur (forward error correction: z.B. Reed-Solomon Codes, Faltungscodes) und Rückwärtsfehlerkorrektur (automatic repeat request: ARQ)
• CRC: berechnet eine Prüfziffer durch Division der Datenblöcke durch ein Generatorpolynom
• Hamming-Code: Bitmanipulation zur Erkennung und Korrektur eines einzelnen Bitfehlers
• Mathematische Modelle und Algorithmen gewährleisten Datenintegrität in Satellitenkommunikation

a)

Angenommen, ein Datenblock wird über ein Satellitennetzwerk mit CRC-16 fehlerfrei übertragen. Erläutere kurz, wie CRC-16 zur Fehlererkennung verwendet wird. Zeige anhand eines Beispiels, wie der CRC-Wert berechnet wird, wenn die Daten 10111010 (in binär) und das Generatorpolynom 1101 sind.

Lösung:

Fehlererkennung mit CRC-16

Die zyklische Redundanzprüfung (CRC) ist ein verbreitetes Verfahren zur Fehlererkennung in der Datenkommunikation. CRC-16 bedeutet, dass ein 16-Bit-Prüfwert erzeugt wird, der an die Daten angehängt und mit dem Datenblock übertragen wird. Empfänger können diesen Prüfwert verwenden, um Übertragungsfehler zu erkennen.

Berechnung des CRC-Werts

Die Berechnung des CRC-Werts basiert auf der Polynomdivision. Hier sind die Schritte zur Berechnung des CRC-Werts für die Daten 10111010 und das Generatorpolynom 1101:

• Datenerweiterung: Hänge der Datensequenz Nullen an, um Platz für den CRC-Wert zu schaffen. Bei einem 3-Bit-Generatorpolynom (1101) fügen wir 3 Nullen hinzu:
• Daten: 10111010
• Daten mit Nullen: 10111010000
• Polynomdivision: Dividiere die erweiterte Datensequenz durch das Generatorpolynom. Dies wird bitweise durchgeführt (ähnlich wie schriftliche Division):

Daten:                 10111010000Generatorpolynom:      1101Initial:              1011 (erste 4 Bits des Datenblocks)                    ^1101                    -----                    0110  (3. Bit ist 1 -> XOR mit Generatorpolynom)                    ^1101                    -----                    1010  (4. Bit ist 1 -> XOR mit Generatorpolynom)                    ^1101                    -----                    0111  (5. Bit ist 1 -> XOR mit Generatorpolynom)                    ^1101                    -----                    0011  (6. Bit ist 0 -> XOR nicht nötig)

• Divisions-Rest: 011

Zusammenfassung

Der erweiterte Datenblock 10111010000 wird durch das Generatorpolynom 1101 bitweise dividiert. Nach Abschluss der Division bleibt der Rest 011 übrig, der der CRC-Wert ist, der den Daten angehängt wird, um zu überprüfen, ob eine fehlerfreie Übertragung stattgefunden hat.

b)

Ein Satellitennachrichtentechniker verwendet Hamming-Code zur Fehlerkorrektur. Bestimme die zu übertragenden Daten inklusive Paritätsbits für den Datenblock 1011. Zeige, wie Hamming-Code einen einzelnen Bitfehler in der empfangenen Nachricht 1110011 erkennt und korrigiert.

Lösung:

Fehlerkorrektur mit Hamming-Code

Der Hamming-Code ist eine Methode zur Fehlerkorrektur, die verwendet werden kann, um einen einzelnen Bitfehler in einem Datenblock zu erkennen und zu korrigieren. Hier sind die Schritte, um die Paritätsbits für den Datenblock 1011 zu bestimmen und einen Bitfehler in einer empfangenen Nachricht zu erkennen und zu korrigieren.

Schritt 1: Paritätsbits hinzufügen

• Wir müssen geeignete Positionen für die Paritätsbits wählen. Diese Positionen sind Potenzen von 2 (1, 2, 4, ...). Für den Datenblock 1011 benötigen wir 3 Paritätsbits, da wir einen Datenblock von 7 Bits (4 Datenbits + 3 Paritätsbits) haben werden.

• P1 - Position 1
• P2 - Position 2
• D1 - Position 3 - 1
• P4 - Position 4
• D2 - Position 5 - 0
• D3 - Position 6 - 1
• D4 - Position 7 - 1

Unser Datenblock sieht nun wie folgt aus: _ _ 1 _ 0 1 1

Schritt 2: Paritätsbits berechnen

• P1 prüft 1, 3, 5, 7: _ + 1 + 0 + 1 = 2 (gerade -> P1=0)
• P2 prüft 2, 3, 6, 7: _ + 1 + 1 + 1 = 3 (ungerade -> P2=1)
• P4 prüft 4, 5, 6, 7: _ + 0 + 1 + 1 = 2 (gerade -> P4=0)

Der Datenblock mit den Paritätsbits lautet daher 0110101.

Erkennung und Korrektur eines Bitfehlers

Nehmen wir an, die empfangene Nachricht sei 1110011. Wir überprüfen die Paritätsbits:

• P1 prüft 1, 3, 5, 7: 1 + 1 + 0 + 1 = 3 (ungerade -> Fehler in der Kombination, daher E1 = 1)
• P2 prüft 2, 3, 6, 7: 1 + 1 + 1 + 1 = 4 (gerade -> in Ordnung, daher E2 = 0)
• P4 prüft 4, 5, 6, 7: 0 + 0 + 1 + 1 = 2 (gerade -> in Ordnung, daher E4 = 0)

Die Fehlerkombination ist E4E2E1 = 001, was bedeutet, dass das Bit an der Position 1 falsch ist.

Bitkorrektur

Die originale empfangene Nachricht lautete 1110011. Das Bit an Position 1 ist inkorrekt (das erste 1). Durch Ändern dieses Bits erhalten wir 0110011.

Der korrigierte Datenblock ist 0110011, wobei die Datenbits 1011 sind.

c)

In einer Kommunikationsstrecke wird Reed-Solomon Code zur Fehlerkorrektur eingesetzt. Erläutere die grundlegenden Prinzipien der Reed-Solomon Codes und warum sie besonders gut für Satellitenkommunikation geeignet sind. Berechne die Anzahl der korrigierbaren Fehler, wenn ein Reed-Solomon Code mit Parameter (n=255, k=223) verwendet wird.

Lösung:

Fehlerkorrektur mit Reed-Solomon Codes

Reed-Solomon Codes sind leistungsstarke Fehlerkorrektur-Codes, die besonders in der Satellitenkommunikation effektiv genutzt werden. Sie ermöglichen die Korrektur mehrerer Fehler in einem Datenblock und erhöhen so die Zuverlässigkeit der Datenübertragung.

Grundprinzipien der Reed-Solomon Codes

• Polynomdarstellung: Reed-Solomon Codes arbeiten auf symbolischer Ebene, wobei Symbole aus mehreren Bits bestehen. Daten werden als Koeffizienten eines Polynoms dargestellt.
• Blockcodes: Reed-Solomon Codes sind Blockcodes, bei denen ein festgelegter Block von Datenbits (k) durch Hinzufügen von Redundanzbits (n - k) erweitert wird.
• Fehlererkennung und -korrektur: Der Empfänger verwendet die Prüfsymbole, um das empfangene Datenpolynom zu prüfen und mithilfe algebraischer Verfahren Fehler zu erkennen und zu korrigieren. Diese Verfahren basieren auf der Polynomdivision und der Suche nach Fehlerpositionen.
• Korrigierbare Fehler: Ein Reed-Solomon Code kann bis zu \(\frac{n - k}{2}\) Symbole korrigieren.

Warum Reed-Solomon Codes für Satellitenkommunikation geeignet sind

• Hohe Fehlerkorrekturkapazität: Reed-Solomon Codes können mehrere Fehler in einem Datenblock korrigieren, was besonders wichtig ist, wenn Daten über weite Entfernungen gesendet werden, wie es bei der Satellitenkommunikation der Fall ist.
• Robust gegenüber Burstfehlern: Diese Codes sind sehr effektiv bei der Korrektur von Burstfehlern, also von zusammenhängenden Bitfehlern, die häufig bei Satellitenübertragungen auftreten.
• Bewährte Algebraische Verfahren: Die mathematischen Grundlagen und Algorithmen der Reed-Solomon Codes sind gut erforscht und bewährt, was ihre Zuverlässigkeit und Robustheit weiter erhöht.
• Breite Anwendbarkeit: Reed-Solomon Codes können flexibel an verschiedene Datenblockgrößen und Fehlertoleranzanforderungen angepasst werden.

Berechnung der korrigierbaren Fehler bei (n = 255, k = 223)

Die Anzahl der korrigierbaren Fehler kann wie folgt berechnet werden:

• Anzahl der Redundanzbits: Dies ergibt sich aus der Differenz zwischen der Gesamtlänge des Codeworts (n) und der Länge des Datenworts (k):

Redundanzbits = n - k = 255 - 223 = 32

Korrigierbare Fehler = \(\frac{32}{2} = 16\)

Ein Reed-Solomon Code mit den Parametern (n = 255, k = 223) kann somit bis zu 16 Symbole korrigieren. Dies macht den Reed-Solomon Code besonders nützlich für die satellitenbasierte Datenkommunikation, bei der eine hohe Fehlerkorrekturkapazität erforderlich ist.

Aufgabe 4)

Ein Telekommunikationsunternehmen plant den Einsatz von Satelliten zur Abdeckung entlegener Gebiete mit Mobilfunkdiensten. Dabei sollen sie LEO-, MEO- und GEO-Satelliten in Betracht ziehen und sowohl für Notfallkommunikation als auch für den regulären Mobilfunkbetrieb nutzen. Ihre Entscheidung sollte Frequenzbereiche, Latenzanforderungen und die Art der Mobilfunktechnologie einbeziehen.

a)

Welche Art von Satelliten (LEO, MEO, oder GEO) würdest Du für die folgenden Anwendungen empfehlen und warum? Diskutiere die Vor- und Nachteile jeder Option im Hinblick auf Reichweite, Latenz und Anwendungsbereiche.\t

\t\t
• Notfallkommunikation in entlegenen Gebieten
\t\t
• Reguläre Mobilfunkdienste für ländliche Regionen
\t

Lösung:

Empfehlungen für den Einsatz von SatellitenFür diese Übung werde ich die Vor- und Nachteile von LEO-, MEO- und GEO-Satelliten in Bezug auf Reichweite, Latenz und Anwendungsbereiche diskutieren und für jede der folgenden Anwendungen eine Empfehlung aussprechen:

• Notfallkommunikation in entlegenen Gebieten
• Reguläre Mobilfunkdienste für ländliche Regionen

• Reichweite: LEO-Satelliten umkreisen die Erde in niedrigen Höhen (ca. 500-2000 km). Dadurch haben sie eine begrenzte Abdeckungsfläche pro Satellit, erfordern aber viele Satelliten für eine globale Abdeckung.
• Latenz: Die Latenz ist sehr niedrig (ca. 20-50 ms), da die Signale nur eine kurze Strecke zurücklegen müssen.
• Anwendungsbereiche: Aufgrund der geringen Latenz eignen sich LEO-Satelliten hervorragend für Anwendungen, die Echtzeitkommunikation erfordern.
• Vorteile: Geringe Latenz, hohe Bandbreite, gut geeignet für Echtzeitanwendungen.
• Nachteile: Hohe Anzahl an Satelliten erforderlich, Komplexität im Satellitenmanagement.

• Reichweite: MEO-Satelliten umkreisen die Erde in mittleren Höhen (ca. 8000-20000 km) und decken größere Gebiete ab als LEO-Satelliten.
• Latenz: Die Latenz liegt im mittleren Bereich (ca. 70-150 ms).
• Anwendungsbereiche: Geeignet für Anwendungen, bei denen eine mittlere Latenz akzeptabel ist, wie z.B. GPS und einige Kommunikationsdienste.
• Vorteile: Weniger Satelliten erforderlich im Vergleich zu LEO, größere Abdeckungsflächen pro Satellit.
• Nachteile: Höhere Latenz im Vergleich zu LEO, aber niedriger als bei GEO-Satelliten; immer noch teurer als GEO.

• Reichweite: GEO-Satelliten positionieren sich in ca. 35.786 km Höhe und können große Teile der Erdoberfläche abdecken.
• Latenz: Die Latenz ist relativ hoch (ca. 250-300 ms) aufgrund der großen Entfernung, die Signale zurücklegen müssen.
• Anwendungsbereiche: Gut geeignet für Broadcast-Dienste wie Fernsehen und einige Kommunikationsdienste, die keine Echtzeitinteraktion erfordern.
• Vorteile: Große Abdeckung mit wenigen Satelliten, stabile Position über einem festen Punkt.
• Nachteile: Hohe Latenz, nicht ideal für Echtzeitanwendungen, anfälliger für Signalverluste.

• Notfallkommunikation in entlegenen Gebieten: Für diese Anwendung sind LEO-Satelliten am besten geeignet. Ihre geringe Latenz und hohe Bandbreite ermöglichen eine schnelle und effiziente Kommunikation in Notsituationen. Die Nutzung von LEO-Satelliten kann sicherstellen, dass Rettungsteams und Hilfsdienste in Echtzeit kommunizieren können.
• Reguläre Mobilfunkdienste für ländliche Regionen: Für diese Anwendung empfehle ich eine Kombination aus MEO- und GEO-Satelliten. MEO-Satelliten können eine angemessene Abdeckung und moderate Latenz bieten, während GEO-Satelliten eine große Reichweite haben und die Basiskommunikationsanforderungen abdecken können. Diese Kombination stellt sicher, dass die ländlichen Regionen gut abgedeckt und gleichzeitig kosteneffizient sind.