Satellitenkommunikation - Exam

Aufgabe 1)

Die Geschichte und Entwicklung der Satellitenkommunikation umfasst eine Vielzahl von technologischen Fortschritten und Meilensteinen. Beginnend mit Sputnik 1 im Jahr 1957 und weiterführend bis zu modernen Entwicklungen wie Klein- und Nanosatelliten und Low Earth Orbit (LEO) Netzwerken wie Starlink, haben sich die Übertragungsverfahren von analog zu digital verändert und verschiedene Frequenzbereiche wie UHF, SHF und optische Kommunikation wurden genutzt. Geostationäre Satelliten wurden durch Syncom 3 im Jahr 1964 eingeführt und hatten einen großen Einfluss auf die TV-Übertragung und Wetterbeobachtungen. Zu den wichtigen Konzepten gehören Footprint, Link Budget und Latenzzeit.

a)

Erkläre den Unterschied zwischen passiven und aktiven Satelliten. Nenne ein Beispiel für jeden Typ und beschreibe ihre jeweilige Funktionsweise und Einsatzmöglichkeiten.

Lösung:

Unterschied zwischen passiven und aktiven Satelliten

• Passive Satelliten: Passive Satelliten reflektieren lediglich die empfangenen Signale zur Erde zurück. Sie verstärken das Signal nicht und haben keine eigenen Signalverarbeitungssysteme.Beispiel: Echo 1Funktionsweise und Einsatzmöglichkeiten:Echo 1 war ein großer, metallisch beschichteter Ballon, der empfangene Radiosignale einfach reflektierte. Solche Satelliten wurden in den frühen Phasen der Satellitenkommunikation eingesetzt, um die technische Machbarkeit von weltweiten Kommunikationsverbindungen zu demonstrieren. Da sie keine eigene Signalverstärkung besitzen, war die Signalqualität oft begrenzt und anfällig für Störungen.
• Aktive Satelliten: Aktive Satelliten enthalten elektronische Geräte zur Verstärkung und Verarbeitung der empfangenen Signale, bevor sie zur Erde zurückgesendet werden. Diese Satelliten können auch Signale aktiv ausstrahlen.Beispiel: Intelsat I (auch bekannt als „Early Bird“)Funktionsweise und Einsatzmöglichkeiten:Intelsat I war der erste kommerzielle geostationäre Kommunikationssatellit. Er enthielt Transponder, die empfangene Signale verstärkten und auf eine andere Frequenz umsetzten, um Interferenzen zu minimieren. Aktive Satelliten finden breite Anwendung in der Fernsehübertragung, Internet-Dienste, Telefonie und Wetterbeobachtungen, da sie eine höhere Signalqualität und Kapazität bieten.

c)

Diskutiere die Vorteile und Herausforderungen von Low Earth Orbit (LEO) Netzwerken wie Starlink im Vergleich zu geostationären Satelliten. Berücksichtige dabei Aspekte wie Latenzzeit, Abdeckung, und Kosten.

Lösung:

Vorteile und Herausforderungen von Low Earth Orbit (LEO) Netzwerken wie Starlink im Vergleich zu geostationären Satelliten

Einführung

LEO-Satelliten wie Starlink und geostationäre Satelliten haben unterschiedliche Merkmale und Anwendungen. Es ist wichtig, die Vor- und Nachteile beider Systeme zu kennen, um ihre Eignung für verschiedene Aufgaben zu bewerten.

Vorteile von LEO-Netzwerken

• Geringere Latenzzeit: Durch ihre geringere Höhe (ca. 300-2000 km über der Erdoberfläche) bieten LEO-Satelliten deutlich geringere Latenzzeiten als geostationäre Satelliten (36.000 km über dem Äquator). Für Anwendungen in Echtzeit, wie Online-Gaming oder Videoanrufe, ist dies besonders vorteilhaft.
• Bessere Abdeckung: LEO-Satelliten bewegen sich kontinuierlich über die Erde, was eine globalere und flexiblere Abdeckung ermöglicht. Geostationäre Satelliten hingegen decken hauptsächlich feste Regionen ab.
• Kleinere Satelliten: LEO-Satelliten sind in der Regel kleiner und kostengünstiger zu starten und zu warten als ihre geostationären Gegenstücke.

Herausforderungen von LEO-Netzwerken

• Konstellationskomplexität: Um eine konstante und weltweite Abdeckung zu gewährleisten, werden Hunderte bis Tausende von LEO-Satelliten benötigt (eine „Konstellation“). Das Management und die Wartung dieser Konstellation sind komplex und kostspielig.
• Lebensdauer und Wiedereintritt: LEO-Satelliten haben in der Regel eine kürzere Lebensdauer und erleben häufiger den Wiedereintritt in die Erdatmosphäre, was regelmäßige Starts erfordert, um die Konstellation aufrechtzuerhalten.
• Interferenzen und Verfolgung: Das große Volumen an LEO-Satelliten erhöht das Risiko von Interferenzen und erfordert komplexe Verfolgungssysteme, um Kollisionen zu vermeiden.

Vorteile von geostationären Satelliten

• Konstante Abdeckung: Geostationäre Satelliten bieten eine konstante Abdeckung eines bestimmten Bereichs auf der Erdoberfläche, was sie ideal für permanente Kommunikationsdienste, TV-Übertragungen und Wetterbeobachtungen macht.
• Weniger Satelliten erforderlich: Eine einzige geostationäre Position kann große geografische Gebiete abdecken (zum Beispiel ein Drittel der Erdoberfläche), sodass weniger Satelliten benötigt werden.
• Langlebigkeit: Geostationäre Satelliten haben tendenziell längere Betriebszeiten, was das Kosten-Nutzen-Verhältnis verbessert.

Herausforderungen von geostationären Satelliten

• Höhere Latenzzeiten: Aufgrund ihrer großen Entfernung von der Erde (ca. 36.000 km) haben geostationäre Satelliten höhere Latenzzeiten. Dies kann die Leistung bei Echtzeitanwendungen beeinträchtigen.
• Startkosten: Der Start geostationärer Satelliten erfordert mehr Energie und ist daher teurer. Die Entwicklung und Wartung dieser Satelliten sind ebenfalls kostspielig.
• Begrenzte Abdeckung der Pole: Geostationäre Satelliten können die Polarregionen nicht effektiv abdecken, was einen Nachteil für die globale Abdeckung darstellt.

Schlussfolgerung

Sowohl LEO-Netzwerke wie Starlink als auch geostationäre Satelliten haben ihre eigenen Vor- und Nachteile. LEO-Satelliten sind besonders geeignet für Anwendungen, die niedrige Latenz und globale Abdeckung erfordern, während geostationäre Satelliten ideal für permanente Kommunikationsdienste und Überwachungszwecke sind. Bei der Entscheidung für den Einsatz eines dieser Systeme müssen Aspekte wie Kosten, Latenz, Abdeckung und langfristige Wartung sorgfältig abgewogen werden.

d)

Ein Wettersatellit überträgt Bilder der Erdatmosphäre, um Wettervorhersagen zu verbessern. Beschreibe, wie die Einführung von Wettersatelliten ab den 1960er Jahren die Wettervorhersage revolutioniert hat und erläutere die Rolle der Satellitenkommunikation bei der Echtzeitübertragung dieser Daten an Wetterstationen weltweit.

Lösung:

Revolution der Wettervorhersage durch Wettersatelliten

Einführung von Wettersatelliten

Mit der Einführung der ersten Wettersatelliten in den 1960er Jahren begann eine neue Ära in der Wettervorhersage. Der erste Wettersatellit, TIROS-1 (Television Infrared Observation Satellite), wurde 1960 von der NASA gestartet. Diese Satelliten boten erstmals die Möglichkeit, großflächige, regelmäßige Beobachtungen der Erdatmosphäre durchzuführen.

Verbesserungen in der Wettervorhersage

• Kontinuierliche Beobachtung: Vor der Einführung von Wettersatelliten basierten Wettervorhersagen hauptsächlich auf lokal gemessenen meteorologischen Daten und Wetterballons. Wettersatelliten machen kontinuierliche Beobachtungen von Wolkenmustern, Stürmen und anderen atmosphärischen Phänomenen möglich.
• Globale Abdeckung: Wettersatelliten können Bilder und Daten aus allen Teilen der Welt liefern, einschließlich darüberbereichender Gebiete, die vorher schwer zugänglich oder zu überwachen waren.
• Verbesserte Frühwarnsysteme: Satelliten ermöglichen die frühe Erkennung und Verfolgung von Stürmen, Hurrikanen, und anderen extremen Wetterereignissen. Dies verbessert die Vorlaufzeit für Warnungen und kann Leben retten.
• Atmosphärische Daten: Neben visuellen Bildern können Wettersatelliten auch Daten zu Atmosphärenbedingungen wie Temperatur und Feuchtigkeit in verschiedenen Höhenlagen sammeln, was zu präziseren Wettermodellen führt.

Rolle der Satellitenkommunikation bei der Echtzeitübertragung

• Echtzeitübertragung: Durch die Satellitenkommunikation können die aufgenommenen Daten nahezu in Echtzeit an Wetterstationen und Forschungszentren weltweit übermittelt werden. Dies ermöglicht eine schnelle Analyse und Weiterverarbeitung der Daten.
• Direkte Übertragung: Moderne Wettersatelliten sind mit Technologien ausgestattet, die direkte Datenübertragungen an Bodenstationen weltweit ermöglichen. Dies beinhaltet die Nutzung von speziellen Frequenzbändern wie den L-, C- und X-Bändern für stabilere und effektivere Kommunikationskanäle.
• Globale Kooperation: Die schnelle und effiziente Kommunikation ermöglicht es Ländern und internationalen Wetterorganisationen, ihre Daten zu teilen und zu nutzen, was zu einer besseren globalen Wettervorhersage beiträgt.
• Nutzerfreundliche Outputs: Die aufbereiteten Daten können schnell in nutzerfreundliche Formate konvertiert und auf verschiedenen Plattformen wie Fernsehsendern, Websites und mobilen Apps bereitgestellt werden, was die Reichweite und Nutzbarkeit der Wettervorhersagen erhöht.

Schlussfolgerung

Die Einführung von Wettersatelliten in den 1960er Jahren hat die Wettervorhersage revolutioniert. Wettersatelliten haben es ermöglicht, kontinuierliche, globale und detaillierte Beobachtungen der Erdatmosphäre durchzuführen. Die Satellitenkommunikation spielt eine entscheidende Rolle bei der schnellen Übermittlung dieser Daten an Wetterstationen weltweit, was zu präziseren und schnelleren Wettervorhersagen führt. Insgesamt haben Wettersatelliten und die dazugehörige Kommunikationstechnologie maßgeblich dazu beigetragen, die Sicherheit und Lebensqualität weltweit zu verbessern.

Aufgabe 2)

Angesichts der Kepplerschen Gesetze der Planetenbewegung sollst Du die Bewegung eines hypothetischen Satelliten, der einen Planeten umkreist, analysieren. Dabei ist der Planet mit der Sonne in den Keplerschen Gesetzen gleichzusetzen und der Satellit mit dem Planeten.

a)

Beschreibe die Umlaufbahn des Satelliten unter Verwendung des 1. Keplerschen Gesetzes. Zeichne eine schematische Darstellung der Umlaufbahn und markiere die Position des Planeten (analog zur Sonne in den Keplerschen Gesetzen) und den anderen Brennpunkt der Ellipse.

Lösung:

• Das 1. Keplersche Gesetz: Nach dem ersten Keplerschen Gesetz sind die Bahnen der Planeten um die Sonne Ellipsen, wobei die Sonne in einem der beiden Brennpunkte der Ellipse steht. Auf unseren Kontext angewendet, bedeutet das, dass die Umlaufbahn des Satelliten um den Planeten eine Ellipse ist, wobei der Planet in einem der Brennpunkte der Ellipse steht.
• Beschreibung der Umlaufbahn: Die Umlaufbahn des Satelliten ist also eine Ellipse. Eine Ellipse ist eine geometrische Figur, bei der die Summe der Abstände zu zwei festen Punkten (Brennpunkten) für jeden Punkt auf der Ellipse konstant ist. In unserem Fall befindet sich der Planet in einem dieser Brennpunkte.
• Schematische Darstellung: Zeichne eine längliche Ellipse. Markiere einen der Brennpunkte als die Position des Planeten. Der andere Brennpunkt sollte leer bleiben, jedoch ebenfalls markiert werden.
• Hier ist eine schematische Darstellung:

           +-----------+e1-----*-----e2+-----------+           |           |                   |           |           |                    |             * -> Brennpunkt (Position des Planeten)   e1,e2  -> Ellipse  

• Durch die Punkte (e1 und e2) wird die Ellipse gezeichnet, mit dem Planeten in einem der Brennpunkte.

c)

Zwei Satelliten, A und B, befinden sich in elliptischen Umlaufbahnen um denselben Planeten. Die große Halbachse der Umlaufbahn von Satellit A beträgt 10.000 km, während die von Satellit B 20.000 km beträgt. Berechne das Verhältnis der Umlaufzeiten beider Satelliten und erkläre Dein Vorgehen anhand des 3. Keplerschen Gesetzes.

Lösung:

• Das 3. Keplersche Gesetz: Nach dem dritten Keplerschen Gesetz (Harmonisches Gesetz) ist das Quadrat der Umlaufzeit eines Satelliten proportional zur dritten Potenz der großen Halbachse seiner Umlaufbahn. Mathematisch ausgedrückt: \(T^2 \propto a^3 \) oder \( \frac{T_1^2}{a_1^3} = \frac{T_2^2}{a_2^3} \)
• Gegeben:
  • Große Halbachse der Umlaufbahn von Satellit A, \(a_A = 10.000 \text{ km}\)
  • Große Halbachse der Umlaufbahn von Satellit B, \(a_B = 20.000 \text{ km}\)
• Berechnung des Verhältnisses der Umlaufzeiten:
  • Anwendung des 3. Keplerschen Gesetzes: \( \frac{T_A^2}{a_A^3} = \frac{T_B^2}{a_B^3} \)
  • Einsetzen der gegebenen Werte: \( \frac{T_A^2}{(10.000)^3} = \frac{T_B^2}{(20.000)^3} \)
  • Vereinfachung:
    • \(10.000^3 = 10^{12}\) und \(20.000^3 = 8 \times 10^{12}\)
    • \( \frac{T_A^2}{10^{12}} = \frac{T_B^2}{8 \times 10^{12}} \)
    • \( \frac{T_A^2}{T_B^2} = \frac{10^{12}}{8 \times 10^{12}} = \frac{1}{8} \)
    • \( \frac{T_A}{T_B} = \frac{1}{\sqrt{8}} = \frac{1}{2 \sqrt{2}} = \frac{1}{2 \cdot 1.414} \approx 0.353 \)
  • Berechnung des Verhältnisses von \(T_B\) und \(T_A\): \( \frac{T_B}{T_A} = \frac{1}{0.353} \approx 2.83 \)
  • Ergebnis: Die Umlaufzeit des Satelliten B ist etwa 2,83 Mal länger als die Umlaufzeit des Satelliten A.
  • Erklärung: Das 3. Keplersche Gesetz ermöglicht es uns, die Umlaufzeiten zweier Satelliten zu vergleichen. Da das Quadrat der Umlaufzeit proportional zur dritten Potenz der großen Halbachse ist, lässt sich das Verhältnis der Umlaufzeiten direkt aus dem Verhältnis der großen Halbachsen herleiten. Die größere Halbachse von Satellit B führt zu einer entsprechend längeren Umlaufzeit im Vergleich zu Satellit A.

Aufgabe 3)

Ein Satellitenkommunikationssystem arbeitet im Ku-Band (12-18 GHz) und verwendet eine Parabolantenne mit einem Durchmesser von 2 Metern. Die Effizienz der Antenne beträgt 70%. Die Entfernung zwischen dem Satelliten und der Bodenstation beträgt 36.000 km. Beantworten Sie die folgenden Fragen basierend auf diesen Informationen.

a)

Bestimmen Sie die Wellenlänge der verwendeten Frequenz, wenn die Übertragung bei 14 GHz erfolgt. Berechnen Sie anschließend den Gewinn der Antenne.

Lösung:

Um die Wellenlänge der verwendeten Frequenz zu bestimmen, können wir die Beziehung zwischen der Ausbreitungsgeschwindigkeit (Lichtgeschwindigkeit), der Frequenz und der Wellenlänge verwenden. Die Formel lautet:

• \[\lambda = \frac{c}{f}\]

Hierbei ist \(c\) die Lichtgeschwindigkeit (\(c = 3 \cdot 10^8\; \text{m/s}\)), und \(f\) die Frequenz. Gegeben ist die Frequenz \(f = 14 \; \text{GHz} = 14 \cdot 10^9\; \text{Hz}\).

• Setzen wir die Werte in die Formel ein:\[\lambda = \frac{3 \cdot 10^8}{14 \cdot 10^9}\]\[\lambda = 0.0214\; \text{m}\]

Die Wellenlänge beträgt also \(\lambda = 0.0214\; \text{m} = 21.4\; \text{mm}\).

Um den Gewinn (Gain) der Antenne zu berechnen, verwenden wir die folgende Formel:

• \[G = \left(\frac{\pi \cdot D}{\lambda}\right)^2 \cdot \eta\]

Hierbei ist

• \(G =\) Gewinn
• \(D =\) Durchmesser der Antenne (2 Meter)
• \(\lambda =\) Wellenlänge (0.0214 Meter)
• \(\eta =\) Antenneneffizienz (70% oder 0.7)

Setzen wir die Werte in die Formel ein:\[G = \left(\frac{\pi \cdot 2}{0.0214}\right)^2 \cdot 0.7\]

Nun berechnen wir Schritt für Schritt:

• \(\frac{\pi \cdot 2}{0.0214} = \frac{6.2832 \cdot 2}{0.0214} = 586.319\)
• \(586.319^2 = 343,773\)
• Der Gewinn \(G = 343,773 \cdot 0.7 = 240,641.1\)

Der Gewinn der Antenne beträgt also 240,641.1.

b)

Berechnen Sie den Freiraumverlust bei der gegebenen Entfernung zwischen dem Satelliten und der Bodenstation für die Übertragungsfrequenz von 14 GHz.

Lösung:

Der Freiraumverlust (Free Space Path Loss - FSPL) beschreibt den Verlust an Signalstärke über eine Entfernung in einem freien Raum ohne Hindernisse dazwischen. Die Formel zur Berechnung des Freiraumverlustes lautet:

• \[\text{FSPL (dB)} = 20 \log_{10}(d) + 20 \log_{10}(f) + 20 \log_{10}\left(\frac{4\pi}{c}\right)\]

Hierbei ist:

• \(d\) die Entfernung (\(36,000\; \text{km} = 36,000,000\; \text{m}\))
• \(f\) die Frequenz (\(14\; \text{GHz} = 14 \times 10^9\; \text{Hz}\))
• \(c\) die Lichtgeschwindigkeit (\(3 \times 10^8\; \text{m/s}\))

Wir müssen zunächst die einzelnen Terme der Formel berechnen:

• \(20 \log_{10}(d)\)\[20 \log_{10}(36,000,000) = 20 \log_{10}(3.6 \times 10^7)\]
• \[= 20 \times (\log_{10}(3.6) + \log_{10}(10^7))\]
• \[= 20 \times (0.5563 + 7) = 20 \times 7.5563 = 151.126\; \text{dB}\]
• \(20 \log_{10}(f)\)\[20 \log_{10}(14 \times 10^9)\]
• \[= 20 \times (\log_{10}(14) + \log_{10}(10^9))\]
• \[= 20 \times (1.1461 + 9) = 20 \times 10.1461 = 202.922\; \text{dB}\]
• \(20 \log_{10}\left(\frac{4\pi}{c}\right)\)\[= 20 \log_{10}\left(\frac{4\pi}{3 \times 10^8}\right)\]
• \[= 20 \log_{10}\left(4.1888 \times 10^{-8}\right)\]
• \[= 20 \times (\log_{10}(4.1888) + \log_{10}(10^{-8}))\]
• \[= 20 \times (0.6223 - 8) = 20 \times -7.3777 = -147.554\; \text{dB}\]

Setzen wir nun alle Terme zusammen:

• \[\text{FSPL} = 151.126 + 202.922 - 147.554 = 206.494\; \text{dB}\]

Der Freiraumverlust bei der gegebenen Entfernung und Übertragungsfrequenz beträgt also etwa 206.494 dB.

Aufgabe 4)

Die Erdatmosphäre kann erheblich die Qualität von Satellitensignalen beeinträchtigen, hauptsächlich durch Faktoren wie Regen, Wolken, Sauerstoff und Wasserdampf. Diese atmosphärischen Einflüsse führen zu einer Signalabschwächung, die besonders bei höheren Frequenzen stärker ausgeprägt ist. Insbesondere sind Satellitensignale im Ku- und Ka-Band stark durch Regen betroffen, während Wolken hauptsächlich das Ka-Band und höhere Frequenzen beeinflussen. Zur Berechnung der Dämpfung durch atmosphärische Einflüsse wird oft das ITU-R-P838 Modell herangezogen. Zudem lässt sich die Freiraumdämpfung mit der folgenden Formel berechnen:\[L = 20 \log_{10}(d) + 20 \log_{10}(f) + 20 \log_{10}(4 \pi c^{-1})\]Um die Signalqualität zu verbessern, ist es wichtig, geeignete Übertragungsfrequenzen zu wählen und redundante Systeme einzusetzen.

a)

Teil a:Begründe, warum höhere Frequenzen stärker von atmosphärischen Einflüssen beeinträchtigt werden. Gehe dabei auf die Rolle von Regen, Wolken, Sauerstoff und Wasserdampf ein.

Lösung:

Teil a:Die Beeinträchtigung von Satellitensignalen durch atmosphärische Einflüsse nimmt mit steigender Frequenz zu, was mehrere physikalische Gründe hat. Lassen wir uns detailliert betrachten, wie Regen, Wolken, Sauerstoff und Wasserdampf dazu beitragen:

• Regen: Regentropfen absorbieren und streuen elektromagnetische Wellen, und dieser Effekt ist bei höheren Frequenzen stärker ausgeprägt. Bei Frequenzen im Ku- und besonders im Ka-Band führen die Größen der Regentropfen zu einer erheblichen Streuung und Absorption, was die Signalstärke vermindert.

• Wolken: Wolken bestehen aus Wassertröpfchen, die ähnlich wie Regentropfen wirken, jedoch kleiner sind. Wolkendämpfung ist bei Frequenzen ab dem Ka-Band signifikant, da die Wechselwirkungsfläche und damit die Dämpfung mit steigender Frequenz zunimmt.

• Sauerstoff: Sauerstoffmoleküle absorbieren Mikrowellenenergie bei bestimmten Frequenzen, besonders um 60 GHz. Diese Absorption verursacht eine deutliche Dämpfung, und die Wirkung wird stärker, je höher die Frequenz der Signale ist.

• Wasserdampf: Wasserdampfmoleküle verursachen bei bestimmten Resonanzfrequenzen (z. B. 22,24 GHz und darüber hinaus) eine starke Absorption. Auch hier gilt, dass die Absorption mit höherer Frequenz zunimmt, was zu größerer Signalabschwächung führt.

Insgesamt führt die Zunahme der Wechselwirkungen bei höheren Frequenzen zu stärkerer Dämpfung. Deshalb müssen für Satellitenkommunikation geeignete Übertragungsfrequenzen und Techniken gewählt werden, um die Signalqualität gegen atmosphärische Einflüsse zu schützen.

b)

Teil b:Berechne die Freiraumdämpfung eines Satellitensignals, das eine Distanz von 36.000 km (geostationäre Umlaufbahn) bei einer Frequenz von 14 GHz (Ku-Band) überbrückt. Verwende dazu die Formel aus dem Hauptteil.

Lösung:

Teil b:Um die Freiraumdämpfung (L) eines Satellitensignals zu berechnen, das eine Distanz von 36.000 km bei einer Frequenz von 14 GHz überbrückt, verwenden wir die gegebene Formel:

L = 20 \, \text{log}_{10}(d) + 20 \, \text{log}_{10}(f) + 20 \, \text{log}_{10}(4 \pi c^{-1})

Hierbei sind:

• \(d = 36.000 \text{ km} = 36.000 \times 10^3 \text{ m} = 3.6 \times 10^7 \text{ m}\)
• \(f = 14 \text{ GHz} = 14 \times 10^9 \text{ Hz}\)
• \(c^{-1} = \frac{1}{c} \, \text{mit} \, c \approx 3 \times 10^8 \text{ m/s}\)

Setzen wir die Werte in die Formel ein:

L = 20 \, \text{log}_{10}(3.6 \times 10^7) + 20 \, \text{log}_{10}(14 \times 10^9) + 20 \, \text{log}_{10}(4 \pi \times \frac{1}{3 \times 10^8})

Nun berechnen wir jeden Term einzeln:

• \(20 \times \text{log}_{10}(3.6 \times 10^7) = 20 \times (\text{log}_{10}(3.6) + \text{log}_{10}(10^7)) = 20 \times (0.5563 + 7) = 151.126\)
• \(20 \times \text{log}_{10}(14 \times 10^9) = 20 \times (\text{log}_{10}(14) + \text{log}_{10}(10^9)) = 20 \times (1.1461 + 9) = 202.922\)
• \(20 \times \text{log}_{10}(4 \pi \times \frac{1}{3 \times 10^8}) = 20 \times \text{log}_{10}(\frac{4 \pi}{3 \times 10^8}) = 20 \times (\text{log}_{10}(4 \pi) - \text{log}_{10}(3 \times 10^8)) = 20 \times (0.6021 - 8.4771) = -157.5\)

Schließlich summieren wir alle Terme:

L = 151.126 + 202.922 - 157.5 = 196.548 \text{ dB}

Also beträgt die Freiraumdämpfung des Satellitensignals 196.548 dB.

c)

Teil c:Diskutiere mögliche Maßnahmen, die getroffen werden können, um die Wirkung von Regen und Wolken auf die Signalqualität zu minimieren. Berücksichtige dabei frequenztechnische und systemische Ansätze.

Lösung:

Teil c:Um die Wirkung von Regen und Wolken auf die Signalqualität zu minimieren, können mehrere Maßnahmen sowohl aus frequenztechnischer als auch aus systemischer Sicht ergriffen werden. Im Folgenden werden einige dieser Maßnahmen diskutiert:

• Frequenztechnische Ansätze:
  • Niedrigere Frequenzen verwenden: Regen und Wolken verursachen bei höheren Frequenzen mehr Dämpfung. Durch den Einsatz niedrigerer Frequenzen, wie dem C-Band (4-8 GHz) statt dem Ku-Band (12-18 GHz) oder Ka-Band (26,5-40 GHz), kann die Wetterbedingte Signalabschwächung verringert werden.
  • Anpassung der Modulation: Die Wahl einer robusteren Modulationstechnik, wie zum Beispiel Quadraturamplitudenmodulation (QAM) mit geringerer Ordnung (d.h. weniger Bits pro Symbol), kann die Auswirkungen von Dämpfung auf die Fehlerwahrscheinlichkeit reduzieren.
• Systemische Ansätze:
  • Leistungsstärkere Sender: Der Einsatz von leistungsstärkeren Sendern kann die Signalstärke erhöhen und somit den durch atmosphärische Bedingungen verursachten Verlust kompensieren.
  • Adaptives Kodieren und Modulieren (ACM): Hierbei wird das Übertragungsformat dynamisch an die aktuellen Kanalbedingungen angepasst, zum Beispiel durch Verringerung der Datenrate bei schlechten Wetterbedingungen, um die Signalqualität aufrechtzuerhalten.
  • Vielfachsehen (Diversity-Techniken):
    • Raumdiversität: Die Verwendung mehrerer Antennen, die räumlich voneinander getrennt sind, kann dazu beitragen, die Abhängigkeit von einem einzelnen Signalpfad zu reduzieren.
    • Frequenzdiversität: Signale werden über mehrere Frequenzkanäle gesendet, um sicherzustellen, dass zumindest einige der Kanäle weniger von Dämpfung betroffen sind.
    • Polarisation: Die Verwendung von dualer Polarisation kann helfen, die Auswirkung auf die Signalqualität während regenbedingter Dämpfung zu reduzieren.
  • Redundante Systeme: Der Einsatz von mehrfachen Kommunikationspfaden, einschließlich geostationären und nicht-geostationären Satelliten (FLEO oder MEO), kann sicherstellen, dass immer ein Kommunikationsweg verfügbar ist, selbst wenn ein Pfad stark gedämpft ist.
  • Präzise Wettervorhersagen und Planung: Durch die Integration von Echtzeit-Wetterdaten kann das System proaktiv auf bevorstehende Wetterereignisse reagieren und alternative Übertragungswege oder Frequenzen wählen.

Durch die Kombination dieser frequenztechnischen und systemischen Maßnahmen kann die Wirkung von Regen und Wolken auf die Signalqualität erheblich minimiert werden, wodurch eine zuverlässigere Satellitenkommunikation ermöglicht wird.