Adopted from Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, Chapter 5. Satellite Systems  History  Basics  Localization  Handover 

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1 Adopted from Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, http://www.jochenschiller.de/ Chapter 5. Satellite Systems  History  Basics  Localization  Handover  Routing  Systems

2 Adopted from Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, http://www.jochenschiller.de/ History & Applications

3 Mobile Communications 순천향대학교 정보기술공학부 이 상 정 3 History of satellite communication  1945 Arthur C. Clarke 는 'Extra Terrestrial Relays' 엣세이 출간  1957 소련의 최초의 위성 SPUTNIK 주기적인 발신음 (beep) 만을 전송  1960 첫 반사통신 위성 (reflecting communication satellite) ECHO  1963 첫 번째 정지 (geostationary, geosynchronous) 위성 SYNCOM  1965 첫 번째 상업위성 INTELSAT 1('Early Bird') 68kg 의 무게, 1.5 년 동안 240 양방향 전화채널 또는 한 개의 TV 채널을 제공  1976 전 세계적인 해양통신을 위하여 세 개의 MARISAT 위성 서비스  1982 첫 번째 이동위성전화 시스템 INMARSAT-A  1988 이동전화, 데이터 서비스를 제공하는 첫 번째 위성 INMARSAT-C  1993 첫 번째 디지털 이동위성전화 시스템 INMARSAT-M  1998 작은 이동전화를 위한 글로벌 위성시스템 Iridium, Globalstar

4 Mobile Communications 순천향대학교 정보기술공학부 이 상 정 4 Applications  전통적인 응용 일기예보 라디오와 TV 방송위성 군사위성 내비게이션 및 위치추적 위성 (e.g., GPS)  이동전화 (Telecommunication) 국제전화 연결 초기 위성통신의 응용으로 현재는 광 케이블로 대체 전세계 네트워크 백본 오지나 개발 도상국의 연결 글로벌 모바일 통신 위성 시스템이 셀룰러 폰의 확장에 적용 (e.g., GSM or AMPS)

5 Mobile Communications 순천향대학교 정보기술공학부 이 상 정 5 Classical satellite systems base station or gateway Inter Satellite Link (ISL) Mobile User Link (MUL) Gateway Link (GWL) footprint small cells (spotbeams) User data PSTNISDN GSM GWL MUL PSTN: Public Switched Telephone Network

6 Adopted from Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, http://www.jochenschiller.de/ Basics

7 Mobile Communications 순천향대학교 정보기술공학부 이 상 정 7 Satellite orbits  순환궤도의 위성들은 다음 법칙에 따라 지구 표면과 항상 같은 거리를 유지 지구인력 (attractive force) F g = m g (R/r)² 원심력 (centrifugal force) F c = m r  ² m: 위성의 질량 R: 지구의 반지름 (R = 6370 km) r: 지구의 중심까지 거리 g: 중력 가속도 (acceleration of gravity) (g = 9.81 m/s²)  : 각속도 (angular velocity) (  = 2  f, f: rotation frequency)  위성이 안정된 회전궤도에 머무르기 위해 다음 식이 유지되어야 함 F g = F c => 지구까지 위성의 거리는 회전 주파수에 좌우

8 Mobile Communications 순천향대학교 정보기술공학부 이 상 정 8 Satellite period and orbits 10203040 x10 6 m 24 20 16 12 8 4 radius satellite period [h] velocity [ x1000 km/h] synchronous distance 35,786 km

9 Mobile Communications 순천향대학교 정보기술공학부 이 상 정 9 Basics  순환궤도는 타원 또는 원형 타원인 경우 지구와 가장 가까운 지점을 근지점 (perigee) 라 한다.  회전주기는 위성과 지구 간의 거리에 좌우  궤도 경사각 (inclination) 적도면과 위성궤도면 사이의 각  앙각 (elevation) 위성 빔의 중심과 지구의 접평면 사이의 각  위성까지는 LOS (Line of Sight) 로 연결 높은 앙각이 요구되고 빌딩 등에 의한 차단이 없어야 함  uplink and downlink 주파수는 분리 Uplink: 기지국 -> 위성 Downlink: 기지국 <- 위성

10 Mobile Communications 순천향대학교 정보기술공학부 이 상 정 10 Inclination inclination   satellite orbit perigee plane of satellite orbit equatorial plane

11 Mobile Communications 순천향대학교 정보기술공학부 이 상 정 11 Elevation Elevation: angle  between center of satellite beam and surface  minimal elevation: elevation needed at least to communicate with the satellite footprint

12 Mobile Communications 순천향대학교 정보기술공학부 이 상 정 12 Propagation loss  위성통신에서 신호의 감쇠는 지구의 수신기와 위성 사이의 거리 r 에 영향을 받고, 손실 L 은 다음과 같이 계산  수신된 신호의 전력은 거리의 제곱에 반비례  또한 특정 환경 ( 전송전력, 안테나 반경, 동작 주파수 등 ) 하에 도달 가능 한 데이터 전송률에 영향을 준다. 이동전화에서 사용되는 안테나 100km 거리의 위성에서 2GHz 캐리어는 10kbit/s 의 데이터 전송률을 가짐 36000km 거리의 정지위성인 경우에는 10bit/s 의 데이터 전송률을 달성  대기의 조건에 기인한 신호의 감쇠는 더욱 더 복잡 L: Loss f: carrier frequency r: distance c: speed of light

13 Mobile Communications 순천향대학교 정보기술공학부 이 상 정 13 Atmospheric attenuation Example: satellite systems at 4-6 GHz elevation of the satellite 5°10°20°30°40°50° Attenuation of the signal in % 10 20 30 40 50 rain absorption fog absorption atmospheric absorption 

14 Adopted from Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, http://www.jochenschiller.de/ Orbits

15 Mobile Communications 순천향대학교 정보기술공학부 이 상 정 15  궤도의 모양 및 반경에 따라 4 가지 유형으로 분류  GEO(geostationary or geosynchronous earth orbit) 지구표면으로부터 약 36000km(35786km) 거리 모든 TV 와 라디오 방송위성, 기상위성, 전화 네트워크의 백본으로 동작하는 위성  MEO(medium earth orbit) 약 5000-12000km 거리 앞으로 발사될 위성 (ICO) 등이 이 부류에 속함  LEO(low earth orbit) 500-1500km 예전에 스파이 목적의 군사위성 모바일 통신을 위한 새로운 위성 시스템들  HEO(highly elliptical orbit) 원형 궤도가 아닌 모든 위성 현재 일부 상업용 위성들이 타원형 궤도롤 계획 이들 시스템은 통신품질을 개선시키기 위해 대도시 상에서 근지점을 가짐 Classification of Orbits I

16 Mobile Communications 순천향대학교 정보기술공학부 이 상 정 16 Different types of orbits earth km 35768 10000 1000 LEO (Globalstar, Irdium) HEO inner and outer Van Allen belts MEO (ICO) GEO (Inmarsat) Van-Allen-Belts: ionized particles 2000 - 6000 km and 15000 - 30000 km above earth surface

17 Mobile Communications 순천향대학교 정보기술공학부 이 상 정 17 Geostationary satellites  24 시간의 주기를 가지며 하늘의 특정 위치에 고정되며 지 구와의 거리는 35,786km, 경사각은 0°  장점 GEO 위성은 지구의 특정 지역을 완전하게 커버 ( 큰 풋프린트 ) 송수신기는 고정된 위치의 안테나를 사용 GEO 는 TV 와 라디오 방송에 적합  단점 위도 60 도 이상의 지구의 북쪽, 남쪽 지역에서는 낮은 앙각 때문에 신호의 수신에 문제가 발생하여 큰 안테나가 요구 전송전력은 10W 정도로 다소 커서 배터리를 사용하는 경우 문제 가 되어 작은 이동전화에서는 사용할 수 없음 음성 및 데이터 통신 시 0.25 초의 큰 단방향 지연 큰 풋프린트 영역 때문에 주파수를 재사용할 수 없음

18 Mobile Communications 순천향대학교 정보기술공학부 이 상 정 18 LEO systems  짧은 주기 (95 분 ~120 분 ) 로 지구로부터 500 - 1500 km 거리를 가지며 위 성의 가시성 (visibility of a satellite) 은 10~40 분  장점 1W 정도의 작은 전송전력을 가져서 사용한 무지향성 안테나의 이동 단말기 를 사용 가능 장거리 유선에서의 지연과 비슷한 약 5-10ms 지연 풋프린트가 작아서 셀룰러 네트워크과 비슷한 개념으로 주파수를 재사용할 수 있음 극지방에서도 더 높은 앙각을 제공하여 지구 전 영역을 커버  단점 50-200 개 이상의 위성들이 지구 전 영역를 커버하기 위해 요구 높은 앙각의 짧은 가시성때문에 다른 위성들 간에 연결 핸드오버를 위한 부 가적인 메카니즘이 필요 위성의 수명이 5-8 년으로 짧음  예 Iridium (start 1998, 66 satellites), 2000 년에 파산 Globalstar (start 1999, 48 satellites)

19 Mobile Communications 순천향대학교 정보기술공학부 이 상 정 19 MEO systems  지구로부터 5000 ~ 12000 km 거리  LEO 와 비교한 장점 LEO 보다 작은 12 개 정도의 위성으로 지구 커버 주기가 6 시간 정도로 느리게 이동하여 설계를 단순화 핸드오버를 줄일 수 있음  LEO 와 비교한 단점 지구로부터의 거리 때문에 70~80ms 의 지연 보다 큰 전송전력이 필요하고 작은 풋프린트를 위해서는 특별한 안테나가 필요  예 ICO (Intermediate Circular Orbit, Inmarsat), 파산

20 Adopted from Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, http://www.jochenschiller.de/ Routing & Handover

21 Mobile Communications 순천향대학교 정보기술공학부 이 상 정 21 Routing  위성 시스템에서는 게이트웨이와 지상의 고정 네트워크 등 을 사용하여 서로 다른 네트워크의 사용자들 간 데이터 전 송을 라우팅  위성들 간 위성 네트워크에서의 라우팅은 두가지 방식 위성이 ISL(inter satellite link) 가 가능하면 위성들 사이에 트래픽이 라우팅 ISL 이 허용되지 않으면 모드 트래픽은 지상을 경유하여 중계되고 라우팅된 후 다시 위성으로 중계 ISL 방식은 보다 작은 지연을 갖지만 위성에 부가적인 안테나와 라 우팅 하드웨어, 소프트웨어로 인하여 시스템이 복잡

22 Mobile Communications 순천향대학교 정보기술공학부 이 상 정 22 Localization of mobile stations  위성 네트워크에서의 위치추적은 셀룰러 네트워크와 비슷하고 다른 점은 기지국 에 해당하는 위성이 이동한다는 점  게이트웨이는 다수의 레지스터를 운영 HLR (Home Location Register): 정적 사용자 장보 VLR (Visitor Location Register): 모바일 단말기의 최근 위치정보 SUMR (Satellite User Mapping Register): 현재 이동 단말기와 통신 가능한 위성 모든 위성의 현재 위치  이동국 (mobile station) 의 등록 먼저 이동국이 하나 이상의 위성이 수신할 수 있는 신호를 송신 이 신호를 받은 위성들이 이 이벤트를 게이트웨이에 보고 게이트웨이는 이를 사용하여 위성의 위치를 경유한 사용자의 위치를 결정 사용자 데이터는 사용자의 HLR 로부터 받아서 VLR 과 SUMR 수정  이동국의 호출 GSM 과 유사 호출은 HLR 과 VLR 을 사용하여 이동국이 위치한 게이트웨이로 전달 SUMR 의 도움으로 통신에 적합한 위성을 찾아서 연결을 설정

23 Mobile Communications 순천향대학교 정보기술공학부 이 상 정 23 Handover in satellite systems  위성이 이동전화의 기지국 역할을 하므로 위성의 이동에 기 인한 부가적인 핸드오버 요인이 추가 위성 내 핸드오버 (intra-satellite handover) 특수한 안테나를 사용해서 위성은 풋프린트 내에서 여러 개의 스폿빔을 생성 같은 위성의 한 스폿빔 (spot beam) 으로부터 다른 스폿빔으로 이동 위성 간 핸드오버 (inter-satellite handover) 한 위성에서 다른 위성으로 핸드오버 이동국이 한 위성의 풋프린트를 벗어나는 경우 게이트웨이 핸드오버 (gateway handover) 한 게이트에이에서 다른 게이트웨이로의 핸드오버 이동국이 한 위성의 같은 풋프린트에 있어도 게이트웨이는 풋프린트를 벗어나는 경우 시스템 간 핸드오버 (inter-system handover) 위성 네트워크에서 지상의 셀룰러 네트워크로의 핸드오버 오지에서는 위성 네트워크를 사용하다가 가격이 저렴한 셀룰러 네트워크 이 사용 가능한 지역에서는 셀룰러로 스위치

24 Mobile Communications 순천향대학교 정보기술공학부 이 상 정 24 Overview of LEO/MEO systems

25 Mobile Communications 순천향대학교 정보기술공학부 이 상 정 25 Site Link  위성용어해설 http://www.isat.info/share/index.php?db=share&category= 용어해 설 &mode=listhttp://www.isat.info/share/index.php?db=share&category= 용어해 설 &mode=list  Lloyd's satellite constellations http://www.ee.surrey.ac.uk/Personal/L.Wood/constellations/overvi ew.htmlhttp://www.ee.surrey.ac.uk/Personal/L.Wood/constellations/overvi ew.html  이리듐 (Iridium) http://www.ktechno.co.kr/techgisa/iridium.htm http://www.iridium.com  글로벌스타 (GlobalStar) http://www.globalstarkorea.com/  텔레디직 (Teledesic) http://www.teledesic.com