#12 GEO/LEO/MEO yörünge tanımları, ideal yayılma gecikmesi, transponder zinciri, uydu bantları, VSAT ve LEO genişbant

Aşağıda defterde yazılan bütün satırlar ve bunlara eşlik eden sesli anlatımın tam metni bulunur.

1. 1. Yer eşzamanlı/yer sabit ayrımını ve GEO–LEO–MEO gecikme sınırlarını düzelt

   

   Uydu haberleşmesi mikrodalga sinyalleri kullanır, ancak karasal kuleler yerine aktarıcı uzaydadır.

   İletişim tasarımında GEO, MEO ve LEO kullanışlı sınıflardır; sınırlar tek bir evrensel üçlü standart değil, görev ve kuruma göre tanımlanır.

   Yer eşzamanlı yörüngenin periyodu yıldız gününe eşittir. Ekvator üzerinde dairesel ve sıfır eğimli özel durum yer sabit (geostationary) yörüngedir; irtifası yaklaşık 35 786 km'dir.

   Yer sabit uydu, Dünya ile aynı açısal periyotta aynı yönde dolanır ve aynı boylam üzerinde görünür; her yer eşzamanlı yörünge yer sabit değildir.

   Bu, GEO'yu televizyon yayıncılığı ve hava durumu izleme için ideal kılar.

   35 786 km'lik tek yer–GEO uzay bacağı idealde yaklaşık 119 ms'dir. İki bacaklı yer–uydu–yer tek yön yolu en az yaklaşık 239 ms, dört bacaklı ideal RTT yaklaşık 477 ms'dir; işleme ve karasal ağ eklenir.

   Sesli aramalar için bu gecikme fark edilir ve rahatsız edici olabilir.

   LEO için yaygın üst sınır yaklaşık 2 000 km'dir; 320–1 500 km belirli görev ve takımyıldız örnekleridir.

   Alt LEO'da periyot yaklaşık 90–120 dakika olabilir; LEO yörüngelerinin tümü kutupsal değildir.

   Başlangıçta ağırlıklı olarak uzaktan algılama ve görüntüleme için kullanılsa da, LEO son yıllarda SpaceX Starlink ve OneWeb gibi devasa takımyıldızlarla dönüşüme uğramıştır.

   LEO takımyıldızları daha kısa uzay yolu sayesinde GEO'dan düşük yayılma gecikmesi sağlayabilir. Kullanıcı gecikmesi; slant yol, ağ geçidi/uydular arası rota, işleme, kuyruk ve karasal ağla birlikte ölçülür; 20–40 ms evrensel değildir.

   MEO, LEO üstü ile yer eşzamanlı irtifa arasındaki geniş bölgedir; 10 000–20 000 km bazı seyrüsefer örneklerini kapsar, evrensel sınır değildir.

   En ünlü MEO sistemi yaklaşık 20200 kilometredeki GPS'tir, yani Küresel Konumlama Sistemidir.

   GEO'dan farklı olarak, LEO ve MEO uyduları yere göre sabit konumlarını korumaz ve izleme veya uydular arası aktarım gerektirir.

   Sesli anlatım metni

   Uydu haberleşmesi mikrodalga sinyalleri kullanır, ancak karasal kuleler yerine aktarıcı uzaydadır. Üç ana uydu yörünge türü vardır. GEO, yani Yer Eşzamanlı Yörünge uyduları, ekvatorun tam üzerinde 35786 kilometre yükseklikte konumlandırılmıştır. Dünya'nın dönüş hızıyla aynı hızda yörünge yaparak yerden sabit görünürler. Bu, GEO'yu televizyon yayıncılığı ve hava durumu izleme için ideal kılar. Ancak büyük mesafe önemli yayılma gecikmesi yaratır: yerden uyduya yaklaşık 0.25 saniye tek yön, yani gidiş dönüş yaklaşık 0.5 saniye sürer. Sesli aramalar için bu gecikme fark edilir ve rahatsız edici olabilir. LEO, yani Alçak Dünya Yörüngesi uyduları, 320 ile 1500 kilometre yükseklikte uçar. Kutupsal yörüngelerde yaklaşık 90 dakikada Dünya'yı çevreler. Başlangıçta ağırlıklı olarak uzaktan algılama ve görüntüleme için kullanılsa da, LEO son yıllarda SpaceX Starlink ve OneWeb gibi devasa takımyıldızlarla dönüşüme uğramıştır. Binlerce LEO uydusu kullanarak GEO'dan çok daha düşük gecikmeyle, tipik olarak 20 ile 40 milisaniye, küresel genişbant internet sağlarlar. MEO, yani Orta Dünya Yörüngesi uyduları, 10000 ile 20000 kilometre yüksekliktedir. En ünlü MEO sistemi yaklaşık 20200 kilometredeki GPS'tir, yani Küresel Konumlama Sistemidir. GEO'dan farklı olarak, LEO ve MEO uyduları yere göre sabit konumlarını korumaz ve izleme veya uydular arası aktarım gerektirir.

2. 2. Transponder zincirini ortak antenlerden ayır; L/C/Ku/Ka bantlarını tahsis bağlamına al

   

   Uydunun temel bileşeni transponderdir.

   Bent-pipe transponder zinciri tipik olarak düşük gürültülü alım, filtreleme/kanallama, frekans dönüşümü ve yüksek güçlü yükseltme içerir; alıcı/verici anten açıklıkları birçok transponder tarafından paylaşılabilir.

   Tek bir uydu düzinelerce transponder taşıyabilir.

   Yer tarafında, verici istasyon veriyi temel bant işlemcisi, frekans dönüştürücü, yüksek güçlü güçlendirici ve parabolik çanak anten üzerinden gönderir.

   Alıcı istasyon bu işlemi tersine çevirir.

   Uydu sistemleri birkaç frekans bandında çalışır.

   6/4 GHz, belirli sabit uydu C-band planlarının kısa adıdır; kesin uplink/downlink aralıkları hizmete, bölgeye ve lisansa göre belirlenir.

   Ticari TV ve VSAT ağları için yaygın olarak kullanılır.

   14/11–12 GHz, yaygın Ku sabit uydu planı örneğidir. Aynı anten kazancı için daha yüksek frekans daha küçük açıklığa izin verir; gerçek anten boyu EIRP, G/T, yağmur ve kullanılabilirlik hedefiyle seçilir.

   30/20 GHz, yaygın Ka planı örneğidir. Ka'da geniş bant tahsisi yüksek kapasiteyi destekleyebilir; kapasite garanti değildir ve yağmur/gaz kaybı, spot beam ve link bütçesi belirleyicidir.

   IEEE harf tanımında L bandı yaklaşık 1–2 GHz'dir; GPS L1 1,57542 GHz'tedir. Mobil/deniz uydu frekansları servis ve bölgesel tahsisle seçilir.

   Sesli anlatım metni

   Uydunun temel bileşeni transponderdir. Transponder, yer istasyonundan sinyalleri almak için bir alıcı anten, geniş bantlı bir alıcı, sinyali aşağı bağlantı için farklı bir frekansa kaydıran bir frekans dönüştürücü ve sinyali Dünya'ya geri göndermek için yüksek güçlü bir güçlendirici içerir. Tek bir uydu düzinelerce transponder taşıyabilir. Yer tarafında, verici istasyon veriyi temel bant işlemcisi, frekans dönüştürücü, yüksek güçlü güçlendirici ve parabolik çanak anten üzerinden gönderir. Alıcı istasyon bu işlemi tersine çevirir. Uydu sistemleri birkaç frekans bandında çalışır. C bandı yukarı bağlantıda yaklaşık 6 gigahertz, aşağı bağlantıda 4 gigahertz kullanır. Ticari TV ve VSAT ağları için yaygın olarak kullanılır. Ku bandı yukarıda yaklaşık 14, aşağıda 11 gigahertz'te çalışır; C bandından daha küçük antenler gerektirir. Ka bandı yukarıda yaklaşık 30, aşağıda 20 gigahertz kullanır; en yüksek kapasiteyi sunar ancak yağmur sönümlenmesine daha duyarlıdır. L bandı, 390 ile 1550 megahertz arasında, GPS ve denizcilik haberleşmesi gibi mobil uydu hizmetleri için kullanılır.

3. 3. DTH, GNSS, VSAT ve LEO genişbant metriklerini ağ ve hizmet koşullarıyla sınırla

   

   Uydu haberleşmesi birçok uygulamaya hizmet eder.

   Uzun mesafe telefon, uluslararası Intelsat konsorsiyumunun dünya genelinde ülkeleri bağlamasıyla en erken kullanımlardan biriydi.

   DTH yayın çoğunlukla Ku/Ka servis planlarıyla, bazı bölgesel sistemlerde C bandıyla yürütülür; açık/şifreli oluşu RF bandından bağımsızdır.

   Navigasyon büyük ölçüde MEO uydularına dayanır; GPS araçlar, uçaklar ve akıllı telefonlar için hassas konumlama sağlar.

   VSAT küçük yer terminali sınıfıdır; anten açıklığı ve yıldız/mesh topolojisi hizmet, bant, EIRP, G/T ve link bütçesine göre seçilir; 0,6–3,8 m evrensel tanım değildir.

   VSAT C, Ku veya Ka gibi tahsislerde kullanılabilir; bankacılık, perakende, denizcilik ve yedek bağlantı örnekleridir, tek zorunlu çözüm değildir.

   Bugün uydu haberleşmesindeki en büyük devrim LEO genişbant internettir.

   LEO genişbant takımyıldızları binlerce uyduyla hizmet verebilir. Uydu sayısı, 50–200 Mbit/s hız ve karasal benzeri gecikme anlık ağ/plan/bölge ölçüleridir; kapasite, yük, terminal, rota ve hava koşuluna göre değişir.

   Uydu internetinin yarım saniyelik gecikmeli GEO demek olduğu dönemlerde bu düşünülemezdi.

   Sesli anlatım metni

   Uydu haberleşmesi birçok uygulamaya hizmet eder. Uzun mesafe telefon, uluslararası Intelsat konsorsiyumunun dünya genelinde ülkeleri bağlamasıyla en erken kullanımlardan biriydi. Televizyon yayıncılığı belki de en görünür uygulamadır: evlere doğrudan uydu çanakları, GEO uydularından C veya Ku bandıyla ücretsiz veya şifreli kanalları alır. Navigasyon büyük ölçüde MEO uydularına dayanır; GPS araçlar, uçaklar ve akıllı telefonlar için hassas konumlama sağlar. VSAT, yani Çok Küçük Açıklıklı Terminal ağları, 0.6 ile 3.8 metre arasında küçük çanak antenler kullanarak yıldız topolojisiyle uzak noktaları merkezi bir hub'a bağlar. VSAT'lar Ku veya C bandında çalışır ve uzak bölgelerde bankacılık, perakende ve kurumsal ağlar için vazgeçilmezdir. Bugün uydu haberleşmesindeki en büyük devrim LEO genişbant internettir. Tek başına Starlink 6000'den fazla uydu konuşlandırarak uzak ve yetersiz hizmet alan bölgelerdeki kullanıcılara saniyede 50 ile 200 megabit hızlarda ve karasal bağlantılara benzer gecikmeyle internet erişimi sağlamaktadır. Uydu internetinin yarım saniyelik gecikmeli GEO demek olduğu dönemlerde bu düşünülemezdi.

4. 4. GEO ideal gecikme hesabında uzay bacağı, yerden yere yol ve RTT'yi ayrı say

   

   Şimdi bir GEO uydu bağlantısı için yayılma gecikmesini hesaplayalım.

   Veriler: 35786 kilometre yükseklikte bir GEO uydusu.

   Elektromanyetik dalgaların hızı yaklaşık saniyede 300000 kilometre, yani ışık hızıdır.

   Adım 1: Tek yön gecikmeyi hesapla.

   Gecikme eşittir mesafe bölü hız.

   Gecikme eşittir 35786 bölü 300000, yaklaşık 0.119 saniye, yani yaklaşık 120 milisaniyedir.

   Adım 2: Yerden uyduya ve tekrar yere yolu için sinyal yukarı çıkar ve aşağı iner, yani tek yön yerden yere gecikme yaklaşık 0.24 saniye, 240 milisaniyedir.

   Adım 3: Tam gidiş dönüş için, merhaba deyip yanıtı beklediğinizde, toplam gecikme yaklaşık 0.48 saniye, neredeyse yarım saniyedir.

   GEO'nun sesli aramalar ve gerçek zamanlı uygulamalar için sorunlu olmasının nedeni budur.

   550 km / c ≈ 1,8 ms yalnız tepe noktasındaki tek yer–uydu bacağının ideal alt sınırıdır. Yerden yere yol en az iki uzay bacağı, slant geometri, yönlendirme, işleme ve kuyruk içerir; düşük irtifa etkileşimli hizmete yardımcı olur ama tek başına garanti etmez.

   Sesli anlatım metni

   Şimdi bir GEO uydu bağlantısı için yayılma gecikmesini hesaplayalım. Veriler: 35786 kilometre yükseklikte bir GEO uydusu. Elektromanyetik dalgaların hızı yaklaşık saniyede 300000 kilometre, yani ışık hızıdır. Adım 1: Tek yön gecikmeyi hesapla. Gecikme eşittir mesafe bölü hız. Gecikme eşittir 35786 bölü 300000, yaklaşık 0.119 saniye, yani yaklaşık 120 milisaniyedir. Adım 2: Yerden uyduya ve tekrar yere yolu için sinyal yukarı çıkar ve aşağı iner, yani tek yön yerden yere gecikme yaklaşık 0.24 saniye, 240 milisaniyedir. Adım 3: Tam gidiş dönüş için, merhaba deyip yanıtı beklediğinizde, toplam gecikme yaklaşık 0.48 saniye, neredeyse yarım saniyedir. GEO'nun sesli aramalar ve gerçek zamanlı uygulamalar için sorunlu olmasının nedeni budur. Buna karşılık, 550 kilometre yükseklikteki bir LEO uydusunun tek yön gecikmesi yalnızca yaklaşık 1.8 milisaniyedir; bu da LEO'yu etkileşimli uygulamalar için ideal kılar.

5. 5. Uydu sistemi kararını yörünge, spektrum, link bütçesi ve ağ gecikmesi kapılarıyla toparla

   

   Özetleyelim.

   35 786 km'deki yer sabit uydu aynı boylamda görünür; ideal tek uzay bacağı ≈119 ms, iki uzay bacaklı yerden yere tek yön yol ≈239 ms'dir.

   Yayıncılık ve hava durumu için ideal, sesli arama için sorunlu.

   LEO yaklaşık 2 000 km altındaki yörüngeleri kapsar; daha kısa uzay yolu düşük gecikmeyi destekler, kapsama ve hizmet sürekliliği takımyıldız, gateway/ISL ve kapasite planına bağlıdır.

   MEO geniş bir irtifa bölgesidir; GPS yaklaşık 20 200 km'de, genişletilebilir 24 yuvalı düzen ve 24'ten fazla operasyonel uyduyla çalışır.

   Transponderler yukarı ve aşağı bağlantı frekansları arasında sinyalleri dönüştürür ve güçlendirir.

   C/Ku/Ka kullanım örnekleri servis ve bölgesel tahsisle eşleştirilir; kapasite bant adından değil kullanılabilir bant genişliği, beam yeniden kullanımı, EIRP/G/T, girişim ve link bütçesinden çıkar.

   VSAT ağları yıldız topolojisiyle uzak noktaları bağlar.

   LEO genişbant devrimi uyduyu yüksek gecikmeli son çare olmaktan rekabetçi bir genişbant teknolojisine dönüştürmüştür.

   Bir sonraki derste fiber optik haberleşmeyi keşfedeceğiz: Snell yasası, tam iç yansıma ve tek modlu ile çok modlu fiberler.

   Sesli anlatım metni

   Özetleyelim. 35786 kilometredeki GEO uyduları sabit görünür ancak 0.24 saniyelik tek yön gecikmeden muzdariptir. Yayıncılık ve hava durumu için ideal, sesli arama için sorunlu. 320 ile 1500 kilometredeki LEO düşük gecikme sunar ve artık Starlink gibi takımyıldızlarla küresel genişbant sağlar. 10000 ile 20000 kilometredeki MEO GPS navigasyonunu barındırır. Transponderler yukarı ve aşağı bağlantı frekansları arasında sinyalleri dönüştürür ve güçlendirir. Anahtar bantlar: TV ve VSAT için C bandı, evlere doğrudan için Ku, yüksek kapasite için Ka. VSAT ağları yıldız topolojisiyle uzak noktaları bağlar. LEO genişbant devrimi uyduyu yüksek gecikmeli son çare olmaktan rekabetçi bir genişbant teknolojisine dönüştürmüştür. Bir sonraki derste fiber optik haberleşmeyi keşfedeceğiz: Snell yasası, tam iç yansıma ve tek modlu ile çok modlu fiberler.

Kaynak video: Haberleşme Temelleri #12 — Uydu Haberleşmesi (6:59)