Trasmissione Satellitare

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1 Ing. Pasquale Pace Trasmissione Satellitare Historical Overview and Architectures Corso di Telematica (Ingegneria Informatica) Calabria University Laboratory on TelecommUnication Research Engineering Web site

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3 Satellite System Architecture Segmento spaziale Up Link Down Link Segmento terreno Stazione trasmittente Stazione di controllo (TT & C) Stazione ricevente Connection Admission Control

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7 Schemi di accesso multiplo Il problema è ovviamente sul segmento di uplink!!!!!!! FDMA (Frequency Division Multiple Access) TDMA (Time Division Multiple Access) MF-TDMA (Multi Frequency Time Division Multiple Access) CDMA (Code Division Multiple Access)

8 FREQUENZA FDM FREQUENZA TDM TEMPO TEMPO FREQUENZA CDM TEMPO

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19 Trasmissione Satellitare Sistemi di ultima generazione Corso di Telematica (Ingegneria Informatica) Calabria University Laboratory on TelecommUnication Research Engineering Web site Utilizzo dei satelliti per TLC I satelliti sono ottimi sistemi per diffusione video e/o radio; inoltre, servono zone dove non arrivano ne fibra ottica ne radiomobile: poco popolate, suburbane, in via di sviluppo. Sono di rapida installazione e di immediato inizio di funzionamento. Sui satelliti per TLC sono montate una o piu antenne che hanno un fascio di radiazione che illumina una cella a terra detta FOV (Field of View). Sappiamo che l area del FOV e direttamente proporzionale al quadrato della lunghezza d onda λ utilizzata e della distanza R del satellite da terra e inversamente proporzionale all area A t dell antenna di bordo. A FOV 2 λ = R A Dunque, per avere FOV piccoli, utili per un efficace riuso delle stesse frequenze per servire piu utenti, e necessario avere antenne grandi. Tuttavia, per avere grande copertura, e necessario che le antenne possano generare fasci multipli che con i loro FOV ricoprano vaste aree (p.e. un intero continente). t 2

20 Le frequenze utilizzate Frequenze: L -S : 1.6-3; C: 5; Ku: 10-12; Ka: GHz Al crescere della frequenza: le dimensioni fisiche dell antenna decrescono a pari FOV, e c e più disponibilità di spettro, ma pioggia e nuvole attenuano di piu. La flessibilita numerica (fasci d antenna, bit rates) permette di illuminare dove e quanto serve, pur non superando potenze di picco preassegnate. Per accesso diretto al mobile e piu facile operare in bande S e L che a frequenze maggiori: fenomeni di poca visibilita e diffrazioni impedirebbero spesso il collegamento. Per le altissime frequenze, e meglio avere un antenna fissa e collegarvisi p.e. mediante Bluetooth. Quindi sistemi trasportabili piuttosto che mobili. Un indubbio vantaggio nell utilizzare frequenze alte è la possibilità di trasmettere in up-link (da terra al satellite) con antenne piccole (dato il più alto guadagno ottenibile a pari area) Satelliti GEO di prossima generazione

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22 Coperture per Sistema Regionale Mobile Multi-spot beam coverage S-Band Gateway coverage Ka Band Il link budget (1) Il calcolo della potenza da trasmettere nel collegamento dal satellite verso terra (down-link) o, viceversa da terra al satellite (up-link) viene generalmente indicato con il termine linkbudget. Analizziamo ora tutti parametri coinvolti nel calcolo del link-budget nel caso di trasmissione numerica. Si parte dai requisiti di E b /N o (in funzione della costellazione usata e della probabilita di errore desiderata) che sono un dato del problema e che indicheremo come (E b /N o ) d Si ricordi che E b e l energia necessaria per trasmettere 1 bit e che N o e la densita spettrale di potenza del rumore termico. Quest ultima dipende dalla temperatura fisica assoluta (espressa in gradi Kelvin = gradi centigradi + 273) degli oggetti compresi nel FOV dell antenna tramite la costante di Boltzman che vale k=1.38x Nel calcolo del link budget si usa, poi, una temperatura piu alta di quella fisica per tener conto di altre sorgenti di rumore. La temperatura di rumore T e un dato del problema e: 23 N o = kt = T

23 Il link budget (2) La relazione tra energia per bit e potenza P s del segnale passa attraverso la cadenza di bit che si vuole trasmettere. La potenza del segnale è infatti l energia per bit divisa per la durata del segnale necessario a trasmettere il bit. La cadenza di bit f esprime il numero di bit al secondo che si vogliono trasmettere e dunque 1/f è proprio la durata del segnale necessario a trasmettere il bit. Eb Ps = = Eb f Tb Da qui la relazione: Eb No = Ps f No = Ps f kt Se dunque si vuole garantire un certo rapporto (E b /N o ) d è necessario disporre di una potenza di segnale al ricevitore pari a: Eb Ps N = o d f kt P P A A R λ Il link budget (3) Il legame tra potenza trasmessa P t e ricevuta P r può essere espresso indifferentemente dalle seguenti uguaglianze dove A t e A r indicano l area delle antenne di trasmissione e ricezione e G t e G r indicano il loro guadagno: P G A G G λ P 4π R (4π R) 4πA λ 2 t t r t t r t r t r = = = G = Dalla prima possiamo scrivere che: R 2 λ 2 P t = Pr = A A t r FOV A r P r Infine, sfruttando la relazione che da la potenza al ricevitore in funzione del bit-rate, della densità spettrale di potenza del rumore e di (E b /N o ) d possiamo scrivere che: P t = R A t 2 λ 2 A r E N b o d f kt = FOV E A r N b o d f kt

24 Esempio di link budget Prendiamo l esempio di un canale televisivo digitale trasmesso via satellite. Il valore desiderato (E b /N o ) d = 7dB, (cioè 10log 10 (E b /N o ) d = 7 e quindi (E b /N o ) d = ) Il bit-rate vale circa 60Mbit/sec. L area dell antenna di bordo circa 3.5m 2 L area dell antenna di terra circa 0.3m 2 (la classica parabolina di 60cm di diametro). La temperatura equivalente di rumore T=1000 Kelvin Il satellite è geostazionario e quindi in orbita equatoriale con distanza di circa 36000km. La distanza dal ricevitore alle nostre latitudini diventa circa R=38000km. La frequenza di trasmissione è circa 10GHz P = t = R A t 2 2 λ E A r N b o d f kt = ( ) ()( ) ( )( 1000) = 5.12W

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26 Evoluzione del ruolo dei sistemi Satellitari Convergence, Integration Internetworking Ground Station RURAL AREA SUB - URBAN AREA URBAN AREA Fixed Transportable Terminals Bit rate Portable Mobile

27 Alcuni problemi tecnici Propagation Delay Limited bandwidth Transmission Errors Transmission Power GEO MEO LEO terrestrial Note: LEO/MEO not so interesting now Broadband access using ATM For many years, satellite networking technologies have followed the terrestrial network technologies In 1990s, significant works have been done on ATM over satellites Based on Transparent (bent pipe) or on-board ATM switch satellites The ATM based broadband access is fading away, due to the limited capacity and availability of ATM terminals and applications ATM is considered as backbone technology

28 Broadband access using DVB Recently, satellite broadcasting services based on DVB-S and DVB- RCS reach millions of users/terminals Transport IP traffic over DVB-S with return channel using terrestrial link (such as telephone line) And over DVB-RCS with return channel over satellite Server DVB Packet incapsulation Client Incapsulation over forward link S-UMTS (Satellite 3G) Complimenting the Terrestrial UMTS (T-UMTS) in different operation environment Maritime & Aeronautical: S-UMTS Open rural, highway & Suburb: T- & S-UMTS Urban& Indoor: T-UMTS Terminal and Services Mobile and portable terminal up to 384 Kbit/s Fixed broadband access up to 2 Mbit/s Voice, data, video and multimedia

29 S-UMTS Architecture concepts Feeder link W-CDMA Multicast W-CDMA Multicast W-CDMA Ground Station GSM/GPRS RURAL AREA GSM/GPRS SUB - URBAN AREA Terrestrial Repeaters URBAN AREA GPRS EDGE T-UMTS Contribution network IP WORLD 2G/3G Cellular network Il futuro vicino: Ericsson/MMS: Proposta per Satellite per S - UMTS 5-17 kw power; 7-10m antenna 160 fasci Ø 200 Km banda S 16 fasci regionali Ka; OBP; fasci mobili

30 Moreover links and papers 1. Ramjee Prasad, "A survey of future broadband multimedia satellite systems, issues and trends", IEEE Communications Magazine, no. 6, June 2000 pp Abbas Jamalipour, Tracy Tung, "The role of satellites in global IT: Trends and implications", IEEE Personal Communications, no. 3, June 2001 pp H. Skinnemoen, H. Tork, "Standardization activities within broadband satellite multimedia", ICC IEEE International Conference on Communications, no. 1, April 2002 pp Enrico Del Re, Luca Simone Ronga, Laura Pierucci, "Trends in satellite communications", ICC IEEE International Conference on Communications, no. 1, April 2002 pp Joseph N. Sivo, "Advanced Communications Satellite Systems", IEEE Journal on Selected Areas in Communications, no. 4, September 1983 pp Joseph N. Pelton, "Satellite communications 2010", MILCOM IEEE Military Communications Conference, no. 1, October 2001 pp