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Die Erfindung betrifft die Übertragung von breitbandigen digital modulierten Signalen über
Satellit (z. B. DVB-Signalen = Digital Video Broadcasting). Der ursprüngliche Signalinhalt ist
beliebig, z. B. Video, Audio, Daten, wird jedoch in der Regel mit üblichen Verfahren der
Datenkompression (z. B. MPEG, MUSICAM) vorbehandelt sein.
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Da die verfügbare Bandbreite eines Satelliten-Transponders im Normalfall im Multi-Träger-
Betrieb genutzt wird, ist es eine wichtige Aufgabe des Betriebsmanagements, die temporäre
Verteilung der Satellitenübertragungskanäle auf dem Transponder unter Beachtung
technischer und physikalischer Randbedingungen, wie z. B. der zulässigen Störabstände, der
zulässigen Ein- und Ausgangsleistungen der Satellitenbaugruppen usw., so effizient wie
möglich zu gestalten, um ein Maximum an möglicher Übertragungskapazität zu erreichen.
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Der Kompliziertheitsgrad dieser Aufgabe erhöht sich, wenn neben festen Sende- und
Empfangsstellen auch mobile Satellitenstationen Zugriff auf das Raumsegment besitzen.
Infolge der Beweglichkeit der Satelliten-Übertragungsfahrzeuge (SNGs) innerhalb der
Ausleuchtungszone des Satelliten auf der Erde (Coverage) sowie der u. U. wechselnden
Empfangsorte muss diesen Fahrzeugen in Abhängigkeit vom Sendestandort die jeweils
erforderliche Sendeleistung (EIRP = Equivalent Isotropic Radiated Power) vorgegeben
werden. Das Satelliten-Kontrollzentrum wird die Einhaltung der festgelegten EIRP,
einschließlich der Antennen-Polarisation, durch das SNG in der Regel mittels einer im
Betriebsreglement vorgegebenen Prozedur (Line-Up) überprüfen. Die genaue Einhaltung der
technischen Vorgaben ist die unbedingte Voraussetzung für die eigene fehlerfreie
Satellitenübertragung und gewährleistet gleichzeitig auch einen störungsfreien Betrieb für die
übrigen Nutzer des Raumsegments.
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Die Übertragung von DVB-Signalen über Satellit ist gegenwärtig in zwei Europäischen
Telekommunikations-Standards von ETSI spezifiziert:
- - ETS 300 421: Digital Broadcasting Systems for Television, Sound and Data Services;
Framing structure, channel coding and modulation for 11/12 GHz satellite services [1]
- - ETS 301 210: Digital Video Broadcasting; Framing structure, channel coding and
modulation for Digital Satellite News Gathering (DSNG) and other contribution
applications by satellite [2].
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Im Bereich der DVB-Satellitenübertragung, insbesondere für DSNG, wird gegenwärtig fast
ausschließlich die Modulationsart QPSK (Quaternary Phase Shift Keying) eingesetzt, obwohl
die in [2] auf optionaler Ebene spezifizierten höherwertigen Modulationsarten 8PSK (8 Phase
Shift Keying) und 16QAM (16 Quadrature Amplitude Modulation) eine deutlich höhere
Effizienz in der Ausnutzung der Übertragungs-Bandbreite aufweisen (vgl. Tab. 1)
Tabelle 1
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Die Anwendung von QPSK geht darauf zurück, dass einerseits [1] als erster, bereits 1994
herausgegebener DVB-S-Standard alleinig die QPSK im Bereich der Verteilung von DVB-
Signalen über Satellit spezifiziert hat. Zum anderen erreichte die technische Entwicklung der
Satelliten-Modulationstechnik erst gegen Ende der 90er Jahre einen solchen Stand, dass ein
betrieblicher Einsatz der höherwertigen Modulationsarten über Satellit möglich wurde.
Außerdem besitzt die QPSK durchaus technische Vorteile. Sie ist als sehr robuste
Modulationsart relativ unempfindlich gegen nichtlineare Verzerrungen in den Endstufen (HPA
= High Power Amplifier) der Satelliten-Sendestationen und des Satelliten-Transponders und
gestattet deshalb einen Betrieb nahe der Sättigung. Das hat zur Folge, dass das erforderliche
Signal-Rausch-Verhältnis (Eb/N0) auf der Empfangsseite entsprechend geringer ausfällt als für
die höherwertigen Modulationsarten und damit den Empfang mit kleineren
Empfangsantennen, z. B. im Satelliten-Direktempfang, ermöglicht (vgl. Tab. 2).
Tabelle 2
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Gegenwärtig erfolgt die Nutzung von Raumsegmenten durch mobile Erdfunkstellen (DSNGs),
z. B. für Live-Übertragungen, in der Regel über die längerfristige schriftliche Vorreservierung
von Transponderbandbreite, aber auch im Rahmen kurzfristiger Buchungen. Um die
Zuspielung von Studio-Beiträgen über Satellit (Contribution) aus den verschiedenen
Bereichen der Satellitenausleuchtzone mit der erforderlichen Qualität zu realisieren, kommt
der Projektion der Satelliten-Sende- und Empfangs-Antennendiagramme auf die Erdoberfläche
(Footprint, Kontur) eine entscheidende Bedeutung zu. In der Regel wird der Satelliten-
Footprint bis maximal auf die -10 dB-Kontur berücksichtigt.
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Der verminderte Antennengewinn der Satelliten-Empfangsantenne außerhalb des Zentrums
des Satelliten-Footprints (Coverage Disadvantage) wird durch eine erhöhte Strahlungsleistung
der Satelliten-Sendeeinrichtung (Uplink) ausgeglichen. Auf der anderen Seite schlagen sich
die Standortnachteile für Empfangsorte auf der Erde außerhalb des Strahlungsmaximums der
Sendeantenne des Satelliten in einem verschlechterten Signal-Rausch-Verhältnis auf der
Empfangsseite nieder. Eine Kompensation dieses Effektes kann nur mit Hilfe einer
verbesserten Satelliten-Empfangseinrichtung (Downlink) erfolgen. In der Regel wird eine
Vergrößerung der Empfangsantenne oder der Einsatz eines verbesserten empfangsseitigen
Signalverstärkers angewendet.
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Es ist leicht vorstellbar, dass das Betriebs-Management für ein Raumsegment, das auch
temporär von beweglichen Erdfunkstellen genutzt wird, je nach Anzahl der in der Zeiteinheit
vorzunehmenden Buchungen mit einer quasi-manuellen Arbeitsweise auf Dauer nicht effektiv
durchgeführt werden kann. Automatische Buchungs- und Zugriffs-Systeme, wie z. B. DAMA
(Demand Assignment Multiple Access), werden zunehmend im Satellitenbereich eingesetzt,
um die Verwaltung der verfügbaren Bandbreite von Satelliten-Tranpondern sowie die
Steuerung der Uplinks zu rationalisieren. Stellvertretend für solche, sich z. Zt. auf dem Markt
befindenden Systeme wird genannt:
EUTELSAT DAMA STS, Technical Definition & Specifications, Issue 2.0, 10. October, 1997,
Firmenschrift EUTELSAT [3]
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Betrachtet man den gegenwärtigen Stand der Technik, so fällt auf, dass auch mit den
fortschrittlichsten Satelliten-Managementsystemen eine optimale Ausnutzung der verfügbaren
Transponderbandbreite nicht erreicht werden kann und auch eine automatische Anpassung der
Strahlungsleistung bei vermindertem Antennengewinn außerhalb des Strahlungszentrums
nicht angewendet wird.
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Diese Nachteile zu beseitigen, ist die Aufgabenstellung für die vorliegende Erfindung und
wird dadurch gelöst, dass
- - die höherwertigen Modulationsarten 8PSK und 16QAM mit dem Ziel einer wesentlich
effizienteren Ausnutzung der verfügbaren Bandbreite von Satelliten-Transpondern
angewendet werden, und
- - der Ausgleich des (variablen) Coverage Disadvantage für mobile Uplinks über die
Steuerung der Modulatorausgangsleistung als bestimmendes Element der gesamten
Aufbereitung des digitalen Sendesignals automatisch vorgenommen wird.
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In der technischen Lösung für ein Betriebsmanagement werden beide Aspekte so miteinander
verknüpft, dass neben der erforderlichen Betriebssicherheit der Satellitenübertragung
zusätzlich noch eine weitreichende Einsparung an Transponderbandbreite erzielt wird.
Die Lösung für ein solches Satelliten-Managementsystem stellt eine völlig neue Qualität im
Bereich der Satellitentechnik dar.
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Mit der Zielvorgabe der Anwendung der höherwertigen Modulationsarten ergibt sich
gleichzeitig eine völlig neue Lösungsmöglichkeit zum Ausgleich des Coverage Disadvantage
innerhalb des Satelliten-Footprints. Die Lösung sieht wie folgt aus:
- 1. Ausgehend von den jeweiligen Satelliten-Übertragungsstreckenbilanzen (Link Budgets)
wird mit Vorrang die 16QAM als effizienteste Modulationsart für den Betrieb im Zentrum
des Footprints ausgewählt (geringe Bandbreite, hohes Signal-Rausch-Verhältnis).
- 2. Ein Ausgleich des Coverage Disadvantage erfolgt bis zur maximal zulässigen Betriebs-
EIRP des Uplinks innerhalb des Systems bei gleicher Modulationsart (z. B. 16QAM) über
die Erhöhung der Modulator-Ausgangsleistung.
- 3. Reicht dieser Ausgleich nicht aus, wird die Modulationsart nächst niedrigerer Wertigkeit,
also 8PSK, angewendet (höhere Bandbreite, aber geringeres Signal-Rausch-Verhältnis).
4. Dieser Vorgang ist sinngemäß auf den Übergang von 8PSK auf QPSK zu übertragen.
- 4. Bevor der Übergang auf eine Modulationsart niederer Wertigkeit erfolgt, können
Zwischenschritte über eine Erhöhung des inneren Fehlerschutzes (FEC = Forward Error
Correction) eingefügt werden. Diese Schritte sind aber nur sinnvoll, wenn sich dadurch ein
deutlicher Vorteil für das Signal-Rausch-Verhältnis Eb/N0 an der Empfangsstelle ergibt.
- 5. Die Methode der kombinierten Anpassung von Modulationsart und Ausgangsleistung der
Uplinks an den Coverage Disadvantage ist sowohl über die manuelle Parametereinstellung
des Modulators im DSNG durch das DSNG-Personal (auf Anweisung des Satelliten-
Kontrollzentrums) als auch mit Hilfe eines im Satelliten-Kontrollzentrum installierten
automatischen Steuerungssystems für das DSNG-Sende-Equipment über Satellit
durchführbar. Die Vorteile der Lösung des adaptiven Modulationsmanagements für
DSNGs kommen bei der automatischen Steuerung über Satellit viel eindrucksvoller zur
Geltung als dies bei manuellem Betrieb der Fall ist. Außerdem würde bei der
automatischen Steuerung der Sendeleistung (EIRP) die aufwendige Line-Up-Prozedur für
jede Satellitenübertragung entfallen. Aus diesen Gründen hat sich der Anmelder
entschlossen, die Lösung im Rahmen eines neuen Satelliten-Managementsystems BCDS
(Broadcast Contribution DAMA-System) anzuwenden.
- 6. Die Voraussetzung für die Anwendung des adaptiven Modulationsmanagements ist die
genaue Kenntnis und Einstellung der richtigen Arbeitspunkte der Verstärker-Endstufen
sowohl im Satelliten-Transponder (IBO/OBO-Verhältnis; IBO = Input Back-Off, OBO =
Output Back-Off) als auch in den jeweiligen Uplinks. Insbesondere die IBO/OBO-
Einstellung des Satelliten-Transponders, der in der Regel für Multi-Trägerbetrieb
ausgelegt ist, muss auf die empfindlichste Modulationsart 16QAM optimiert sein, um die
notwendige Störfestigkeit des Transponders gegen Intermodulationseffekte zu garantieren.
Wenn diese Voraussetzung erfüllt ist, ist die Anwendung der Modulationsarten niederer
Wertigkeit (8PSK, QPSK) als unkritisch anzusehen.
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Die Betriebsanwendung des adaptiven Modulationsmanagements setzt darüber hinaus die
exakte Kenntnis der technischen Parameter der an den Übertragungen beteiligten Sende-
und Empfangsstationen sowie die geographische Lage der Sende- und Empfangsorte
innerhalb der Footprints der Sende- und Empfangsantennen des Satelliten im Satelliten-
Kontrollzentrum voraus. Im Falle des automatischen Betriebs sind diese Daten
sinnvollerweise in einer Datenbank erfasst und werden nach Bedarf durch den
Steuerrechner des Systems abgerufen.
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Der Vorteil des adaptiven Modulationsmanagements als Bestandteil von Satelliten-
Transponder-Buchungs- und Zugriffs-Systemen, ganz gleich ob auf manueller oder
automatischer Basis, gegenüber den herkömmlichen Systemen für eine einzige Modulationsart
(QPSK) besteht in der Möglichkeit der deutlich effizienteren Ausnutzung der verfügbaren
Transponderbandbreite. Wie aus Tab. 1 ersichtlich ist, ergeben sich bei gleicher Informations-
Datenrate für die gebräuchlichsten FEC-Raten unter Anwendung der 8PSK und 16QAM
Bandbreite-Einsparungen zwischen 30% und 50% im Vergleich zu einer Übertragung mit
QPSK, x FEC. Da die benötigte Übertragungsbandbreite im Satelliten-Transponder den
entscheidenden Kostenfaktor jeder Satellitenübertragung darstellt, liegt auf der Hand, welche
hohe Wichtigkeit die Auswahlmöglichkeit der jeweils günstigsten Modulationsart zukünftig
im gesamten Satelliten-Geschäft besitzen wird.
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Ein konkretes Beispiel für die weltweit erstmalige Anwendung des adaptiven
Modulationsmanagements ist das unter Pkt. 6 der Lösung erwähnte neue Satelliten-
Managementsystem BCDS der Deutschen Telekom.
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Ausgehend von den in der Datenbank gespeicherten Daten über
- - die geographische Länge und Breite der Sende- und Empfangsstandorte,
- - die Satellitenausleuchtzone (Footprint, Kontur),
- - die technischen Parameter der in das System integrierten Up- und Downlinks,
einschließlich der DSNGs,
- - die Linkbudgets in Korrelation mit den vorgenannten Daten,
- - die für die Betriebsarten (QPSK, 8PSK, 16QAM) erforderlichen Eb/N0-Werte
entscheidet der System-Steuerrechner automatisch, welche Modulationsart für die jeweilige
Satelliten-Verbindung zwischen dem aktuellen DSNG-Uplink und dem aktuellen Downlink in
Abhängigkeit von der geographischen Lage des Sende- und Empfangsstandortes innerhalb der
Satelliten-Kontur zur Anwendung kommt. Diese Entscheidung ist verknüpft mit der Wahl der
erforderlichen EIRP, die wiederum in Korrelation zu einer entsprechenden Ausgangsleistung
des Satelliten-Modulators steht.
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Über den Satelliten-Steuerkanal werden die notwendigen Einstellungsparameter an das
Uplink-Equipment (z. B. DVB-Modulator, MPEG-Encoder) sowie das Downlink-Equipment
(z. B. DVB-Demodulator, IRD = Integrated Receiver Decoder) übermittelt und im Anschluss
die entsprechenden Geräteeinstellungen über die Steuerschnittstellen der Einzelgeräte
vorgenommen. Mit diesen Einstellungen wird die Satellitenübertragung gestartet und nach
Beendigung der gebuchten Übertragungszeit automatisch wieder beendet.