Úttörő műholdas hullámterjedési kísérletet végeznek műegyetemi űrkutatók

Az 5G technológiát segítő új ötlet és pályázat is született a BME szakembereinek eddigi munkájából.

„A közelmúltban sikerrel zárult le tanszékünknek az az űrkutatási projektje, amelyben az Európai Űrügynökség (ESA) Alphasat nevű műholdja révén egy telekommunikációs kísérletben vettünk részt” – számolt be a bme.hu-nak Csurgai-Horváth László, a BME Villamosmérnöki és Informatikai Kar (VIK) Szélessávú Hírközlés és Villamosságtan Tanszék egyetemi docense. A kutatócsoport a műholdas adatátvitel gyorsításának lehetőségeit vizsgálta. A legnagyobb európai telekommunikációs szatellit mobilszolgáltatást biztosít, miközben részese több tudományos kísérletnek (Ezek egyike az ún. hullámterjedési kísérlet, amelyről a bme.hu tudósított – szerk.).

Az Európai Űrügynökség és az Inmarsat telekommunikációs cég 2013 nyarán bocsátotta fel az Alphasat elnevezésű műholdat, amely több mint 6 tonna, és jórészt műholdas adatátvitelt (telefon- és internet-szolgáltatást) biztosít. A geoszinkron pályán álló, teherautó méretű eszköz a Földtől 36 ezer kilométerre tartózkodik, élettartamát 15 évre tervezték.

Az ipari és tudományos együttműködés eredményeképpen az ESA négy tudományos vizsgálatot indíthatott az Alphasat révén; ezek egyikében a BME kutatói működtek közre hullámterjedési, majd kommunikációs megfigyelések végzése céljából. Az „Aldo Paraboni Q/V sávú kísérletben”, amely a Milánói Egyetem néhány éve elhunyt neves professzora, a szakterület kiválósága nevét viseli (Q sávnak a 30-50GHz, V sávnak a 40-75 GHz közötti frekvenciákat nevezik.), a VIK Szélessávú Hírközlés és Villamosságtan Tanszékről Rieger István tudományos munkatárs, Kertész József mérnök, Horváth Péter egyetemi docens, Horváth Bálint Péter tanársegéd és Csurgai-Horváth László vettek részt. Bár a munka első szakasza már korábban, a második részének hivatalosan két éves periódusa pedig 2017 végén lezárult, az elkészült berendezések ma is folyamatosan működnek.

Az ún. kommunikációs (diversity) kísérlethez a V1 épület tetején egy új és a korábban a hullámterjedési vizsgálatokban használtnál nagyobb méretű vevőállomást építettek. „A berendezések nagy része saját fejlesztés: a rendelkezésre álló anyagi forrásokat figyelembe véve a magyar partnereinknek kellett megalkotniuk azokat, amelyek költséghatékonyabb megoldást jelentettek számunkra. Az antennát és az antennaforgató mechanikát – amelynek legalább tizedfokos pontossággal rá kellett állnia a műholdra – a Grante cég készítette; velük régóta kapcsolatban állunk. Az osztrák partnerek állomása – bár többféle funkciót is el kellett látnia – egy nagyságrenddel többe került” – hívta fel a figyelmet az Alphasat kutatócsoport vezetője.

„A vizsgálat lényege az volt, hogy földrajzilag két különálló helyre került az adó-, és a vevőállomás” – ecsetelte a kutató. Hozzátette: „a grazi Joanneum Research Kutatóintézettel voltunk kapcsolatban, amelynek munkatársai az állomásukkal adatokat küldtek a műholdra, egyúttal venni is tudták azokat. A budapesti berendezés révén egy viszonylag nagy, légvonalban 270 km távolságban diversity-kísérletet végeztünk eltérő időjárási körülmények között. Az osztrák kollégák által a műholdra küldött digitális adatfolyamot mi is dekódoltuk, a jel minőségét megvizsgáltuk, és ez alapján vezéreltük az ausztriai állomás adási paramétereit”.

Az ábra az adaptív modulációs mód működését demonstrálja: a kép felső részén a műholdról érkező jel minőségét látjuk. Az alsó részén pedig azt, ahogyan ennek függvényében változtatjuk a műholdra feljutó jel modulációját. Itt a nagyobb értékek a nagyobb adatátviteli sebességet lehetővé tevő modulációt jelzik. 
 

A kapott információ alapján Grazban kétféle módon tudták megváltoztatni az adást: egyrészt módosíthatták az adójel teljesítményét, azonban ebben az esetben felmerültek fizikai korlátok. Emellett alakítható volt a modulációs mód, azaz a digitális kód rádióhullámokra való átültetése. Az egyszerűbb moduláció jobban elviselte a zajokat, zavarokat és egyéb külső hatásokat, viszont ekkor az adatátviteli sebesség lett kisebb. Tiszta időben bonyolultabb modulációval történt a körülményekhez való alkalmazkodás, de az új digitális videóátviteli szabvány, a DVB-S2 (Digital Video Broadcasting - Satellite-Second Generation) már akadálytalanul biztosította a menet közbeni változtatást.

„Büszkék lehetünk rá, hogy ez számít a világon a legelső műholdas diversity-kísérletnek a 40 gigahertzes frekvencián” – hangsúlyozta Csurgai-Horváth László. „Végső soron az volt a célunk, hogy megismerjük, mi történik a jelekkel e frekvenciasávon, mivel a jövőben az egyre csökkenő számú és alacsonyabb frekvenciasávok helyett a magasabbakat használjuk majd. Minél nagyobb a frekvencia, annál több adatot lehet átvinni, ugyanakkor a jelek minősége a légköri hatások miatt jobban leromolhat. Ez a kutatás lezárult, jelentések és publikációk születtek, de új fejlemények is vannak: februárban az ESA által szervezett Advanced Research in Telecommunications Systems (ARTES) konferenciáján Hollandiában egy előadás keretében mutattuk be az elkészült állomásunkat, valamint az eddigi mérési eredményeinket, majd megbeszéléseket folytattunk a nemzetközi szervezet és a többi partner képviselőivel a jövő teendőiről. Jelenleg egy újabb együttműködési szerződés előkészítése zajlik az ESA, a Joanneum Research és a BME között a kísérlet folytatása érdekében, hiszen a műholdon üzemelő berendezések által biztosított egyedülálló kutatási lehetőségeket maximálisan ki kellene használni.”

Az osztrák fél rendelkezik feladóállomással, a BME-nek vevőállomása van: ugyan az olasz űrügynökség is létesített állomásokat, de utóbbiak – különféle okok miatt – jelenleg nem működnek, így az egész műhold kísérleti kapacitása csaknem két éve a diversity projekté.

„Ilyen lehetőség nagyon ritkán adatik meg egy kutató életében” – fogalmazott Csurgai-Horváth László, majd hozzáfűzte, hogy felbecsülhetetlen értéknek tartja a műhold használatát. Példaként említette, hogy egy korábbi kísérletüknél a műholdas kapcsolatot óránként egymillió forintért kellett bérelniük.

Horváth Bálint Péter, a VIK Szélessávú és Hírközlés és Villamosságtan Tanszék tanársegédje még doktoranduszként kapcsolódott be a kutatásokba. A bme.hu-val megosztotta: „a munkánk során többféle akadállyal kellett szembenéznünk. Egyrészt egy hardver-jellegű problémával: a műholdvevő-antenna és a hozzá tartozó követőrendszerrel, illetve a műholdas jel épületen belülre történő eljuttatásával; ezzel főként Rieger István és Kertész József kollégáink foglalkoztak. Másrészt a szoftveres jelfeldolgozás adott feladatot, amelyet Horváth Péterrel közösen végeztünk el. A beérkező osztrák adásból állapítottuk meg a vett jel minőségére vonatkozó ismérveket: hogyan torzul a jel az adatátviteli csatornán, hogyan változik a vételi jelszint, illetve ennek alapján milyen vezérlőjeleket adjunk az adóállomásnak, hogy végig stabil adatkapcsolatunk legyen – még ha lassabb is”.

Maga a jel előre ismert számokból álló digitális adatfolyam, amely egy számláló által generálva több napos periódussal ismétlődik. „Ez azért lényeges, mert ebben könnyebb azonosítania hibát, mint például egy folyton változó tévéadásban. Talán kipróbálunk majd képátvitelt is, de ez eddig még nem valósult meg” – mesélte a kutatócsoport munkatársa.

A már lezárult hullámterjedési kísérlet viszont egy új, nyertes pályázat alapötletét is szolgáltatta: a tavaly nyáron támogatást nyert „Mobil 5G (az 5. generációs mobil hálózat) hullámterjedési mérőberendezés” kifejlesztését részben a korábbi kutatásokra alapozták (Az ESA által kiírt, az első magyar nyerteseket eredményező technológiai transzfer pályázatról a bme.hu is beszámolt  – szerk.). Az Európai Űrügynökség támogatja azt, ha a mindennapi életben is hasznosulnak a projektek – jelentette ki Csurgai-Horváth László, hozzátéve, hogy „a műhold jelének vételére készült egy ún. nagyfrekvenciás lekeverő egység. Arra gondoltunk, hogy ezt lehetne beltéri hullámterjedési mérésekhez is használni. Véletlen, de szerencsés egybeesés, hogy az 5G egyik frekvenciasávja megegyezik a kísérletünkével, így egy hordozható mérőberendezés ötlete született meg”.

„Ezzel a berendezéssel mérni tudjuk majd, ha egy laborban vagy folyósón kiadunk egy jelet, milyen módon jut el a vevőhöz, és ebben milyen szerepe van a különböző felületekről történő visszaverődéseknek” – emelte ki Horváth Bálint a novemberben kezdődött fél évig tartó projektről, amelyet az ESA a Wigner Fizikai Központ koordinálásával finanszíroz. „A mindennapi használati eszközeinket, a mobiltelefonok nagy részét érinti a kutatás: például hány antenna és hová kerüljön, milyen jelet adjon az adó oldal a lehető leghatékonyabb működés elérése érdekében. Rendkívül izgalmas a feladat: az 5G technológiában az egyre nagyobb frekvencia miatt több bázisállomásra lesz szükség; egyúttal jelentős műszaki kihívás is, mivel egy ténylegesen működő hálózatot kell kialakítani. Ez még sok vizsgálati lehetőséget ad majd nekünk” – nyomatékosította a kutató.

HA - GI

Fotó: Takács Ildikó