Sistemi Satellitari di nuova generazione

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1 Università degli Studi di Firenze Dipartimento di Elettronica e Telecomunicazioni Corso di Sistemi Wireless in Area Locale a.a Sistemi Satellitari di nuova generazione Ing. Rosalba Suffritti 10 marzo 2008

2 Comunicazioni Satellitari perché? Vantaggi delle reti satellitari: permettere l estensione del range di copertura di reti terrestri fissi e mobili (aree rurali ) distribuire informazioni multimediali su aree geografiche molto vaste (wide-area coverage ) non essere danneggiate da disastri naturali che possono accadere sulla superficie terrestre (comunicazioni per situazioni di emergenza ) La popolazione è diventata sempre più esigente nel richiedere servizi e connettività anytime e anywhere CRESCENTE DOMANDA DI COMUNICAZIONI SATELLITARI 2

3 Sistemi via Satellite (I) Sistemi LEO (Low Earth Orbit) Costellazioni di satelliti per trasmissione voce e dati a Bassi Data Rate ( IRIDIUM,GLOBALSTAR ) necessitano di condizioni LOS problemi in ambienti indoor vasta copertura della superficie terrestre IRIDIUM totale copertura della Terra compresi oceani e poli presenza di collegamenti inter-satellite GLOBALSTAR satelliti trasparenti necessità di un gateway a terra copertura non completa della superficie terrestre ( parti dell oceano, zone molto remote ) 3

4 Sistemi via Satellite (II) Sistemi MEO (Medium Earth Orbit) Sistemi di Posizionamento (Glonass, GPS, Galileo) GLONASS (1995) Sistema controllato dall esercito russo 24 satelliti accuratezza 55m orizz e 70m vert GPS (2000) Sistema controllato dall esercito statunitense 24 satelliti (non coprono i poli) in Banda L precisione metri GALILEO ( ) Sistema civile europeo 30 satelliti con possibilità di copertura globale in banda L accuratezza 4m orizz e 8m vert 4

5 Sistemi via Satellite (III) Sistemi GEO (Geostationary Orbit) Altitudine di circa km sull orbita equatoriale Rotazione sincronizzata con quella del pianeta. Copertura offerta di circa 1/3 della superficie terrestre, escludendo le latitudini elevate 3 satelliti GEO possono coprire (spaziati di 120 ) l'intera superficie del globo. Sistemi DVB Standard Open prodotti dal Consorzio DVB Sistema DOCSIS Sistema proprietario sviluppato da un consorzio di compagnie americane ( CISCO, Texas Instruments ) Sistema IPoS (IP over Satellite) Sistema pubblicato da TIA (Telecommunications Industries Association) e promosso da HUGHES 5

6 Il consorzio DVB (Digital Video Broadcasting) Gli standard del consorzio DVB sono standard open Servizi satellitari multimediali e di digital broadcasting per terminali fissi DVB-S: forward link (K u /K a band) 1997/2004 DVB-S2: forward link 2 nd Generation (K u /K a band) 2005/06 DVB-RCS : return link (K u /K a band) 2005/06 Estensione degli standard per applicazioni mobili DVB-RCS +M : return link per scenari ferroviari, aerei, marittimi e veicolari (K u /K a band) previsto nel 2008 DVB-SH : servizi satellitari per dispositivi portatili ( le frequenze utilizzate sono sotto i 3 Ghz (banda L) ) 2007/08 Primo standard satellitare basato su tecniche di accesso OFDM 6

7 DVB-S the First Generation DVB-S è stato il 1 standard per trasmissioni digitali broadcasting via satellite standard di grande successo e diffusione Il sistema prevede la trasmissione di un flusso audio/video digitale MPEG-2 utilizzando un sistema di modulazione QPSK con codifica concatenata (Reed-Solomon + Codice convoluzionale). 7

8 DVB-S2 the Second Generation (I) E nato per incrementare l efficienza e la qualità del sistema DVB-S Concetti chiave: 1. Maggiore capacità trasmissiva rispetto al DVB-S 2. Totale flessibilità 3. Ragionevole complessità del ricevitore Per ottenere il bilanciamento tra prestazioni e complessità, il DVB-S2 si avvale di alcune tra le più recenti tecniche sviluppate sia nel campo della codifica di canale sia in quello della modulazione. E stato progettato per applicazioni satellitari a larga banda quali: TV a definizione standard, STDV (Standard Definition Television) TV ad alta definizione, HTDV (High Definition Television) Servizi interattivi ( accesso ad Internet ) Distribuzione di segnali TV a trasmettitori digitali terrestri VHF/UHF 8

9 DVB-S2 the Second Generation (II) Codifica di canale: Codifica concatenata: codice esterno BCH + codice interno LDPC LDPC Low Density Parity Check Scoperti da Gallanger nel Soltanto oggi però i progressi fatti dalla tecnologia sui microcircuiti consentono di realizzare i complicati algoritmi di decodifica nei prodotti consumer. Sono codici blocco Caratteristiche principali nel DVB-S2: 1. la grande lunghezza del blocco LDPC: bit per blocchi detti Normal e bit per blocchi detti Short ; 2. l elevato numero di iterazioni in decodifica (circa 50 iterazioni SISO); BCH: codici ciclici usati per correggere pattern di errori random 9

10 DVB-S2 the Second Generation (III) Tecniche di modulazione: QPSK 8PSK 16 APSK 32 APSK La 16APSK e la 32APSK sono state scelte per minimizzare la distorsione non lineare. Collocando i vari punti su cerchi concentrici è possibile ridurre le fluttuazioni dell inviluppo del segnale trasmesso. Uso di tecniche di predistorsione 10

11 DVB-S2 the Second Generation (IV) 11

12 DVB-S2 the Second Generation (V) ACM (Adaptive Coding and Modulation) Modalità che permette di ottimizzare la trasmissione a seconda delle condizioni del canale Ad ogni blocco di codifica il rate di codice e l ordine di modulazione possono essere variati in base all analisi del SNR dell utente Information data Channel status 12

13 DVB-S2 the Second Generation (VI) Compatibilità con il sistema DVB-S 1. Modulazioni stratificate (layered modulations) I segnali DVB-S2 e DVB-S sono combinati in modo asincrono sul canale a radio frequenza, con il segnale DVB-S trasmesso ad un livello di potenza molto più elevato 2. Modulazione gerarchica (hierarchical modulation) Un flusso ad Alta Priorità ( DVB-S ) e uno a Bassa Priorità ( DVB-S2 ) sono mappati in modo sincrono su una costellazione 8PSK NON uniforme i 2 bit HP DVB-S definiscono un punto della costellazione QPSK, mentre il bit proveniente dal flusso DVB-S2 impone una rotazione addizionale ±θ prima della trasmissione. 13

14 DVB-RCS the Return link (I) E lo standard che definisce il canale di ritorno per le comunicazioni satellitari per terminali fissi Network Control Center (NCC) fornisce le funzioni di Controllo e Monitoraggio. genera i segnali di controllo e di timing per il funzionamento della rete interattiva Traffic Gateway (TG) Riceve i segnali di ritorno dai terminali RCS, fornendo i servizi interattivi e le connessioni verso i gestori di piattaforma e le varie reti (Internet, PSTN, ISDN). Feeder Trasmette il segnale interattivo di andata costituito da un segnale video digitale di broadcast (DVB-S o DVB-S2) sul quale sono multiplati i dati d utente e/o i segnali di controllo e timing. 14

15 DVB-RCS the Return link (II) Burst Formats Traffic (TRF) ATM (53 bytes) MPEG (188 bytes) Acquisition (ACQ) Syncronization (SYNC) Common signalling channel (CMS) E usato dal terminale per identificare se stesso durante il log-on Gli ACQ e SYNC sono richiesti per posizionare correttamente le trasmissioni dei burst di ogni terminale durante e dopo il log-on 15

16 DVB-RCS the Return link (III) Codifica di canale la codifica di canale è applicata ai burst di traffico e di controllo sono previsti 2 schemi di codifica : 1. Codice convoluzionale non sistematico è prevista una concatenazione con un codice esterno Reed-Solomon 16

17 DVB-RCS the Return link (IV) 2. Turbo Codice è un Double-binary Circular Recursive Systematic Convolutional (CRSC) code Il bit più significativo (MSB) del primo byte è assegnato al bit informativo A, quello successivo a B e così via. sono definiti 7 rate di codice: 1/3, 2/5, 1/2, 2/3, 3/4, 4/5, 6/7 Il rate nominale del Turbo encoder è 1/3 e gli altri rate vengono ottenuti con un operazione di puncturing sui bit di parità 17

18 DVB-RCS the Return link (V) Modulazione nello standard è prevista la QPSK ma ci sono studi che stanno valutando l inserimento della 8PSK e della 16APSK 18

19 DVB-RCS the Return link (VI) Accesso Multiplo MF-TDMA Lo schema di accesso utilizzato è il Multi-Frequency Time Division Multiple Access (MF-TDMA). MF-TDMA permette ad un gruppo di terminali di comunicare con il gateway usando un set di portanti, ognuna delle quali è divisa in time-slots. Il NCC alloca ad ogni terminale attivo una serie di burst, ognuno definito da una frequenza, una banda, uno start time e una durata. Schema fisso: banda e durata time slot fissi Schema dinamico: il terminale usa slot che possono variare in banda e durata 19

20 DVB-RCS + M towards the mobility Services to be provided Mobile broadband access System scenarios Aeronautical Passenger transportation (e.g. airliners) Private aircrafts (e.g. executive jets) Maritime Passenger transportation Commercial ships (e.g. cargos, etc) Land mobile scenario Railway (Trains) Vehicular (Buses & cars) Service Coverage Global coverage requested for Aeronautical and Maritime Regional coverage requested for Aeronautical, Maritime, and Land mobile Frequency bands Ku-band (assigned to MSS ) Space-to-earth GHz Earth-to-space GHz Ka-band (assigned to MSS and FSS) Earth-to-space GHz Space-to-earth GHz 20

21 DVB-RCS+M le sfide da vincere Scenario LOS (Line of Sight): Aeronautico e Marittimo Doppler shift Interferenze Beam/Network Handover accesso SCPC (Single channel per carrier) Scenario NLOS: Land Mobile (ferroviario e veicolare) Shadowing frequente del segnale Canale multipath 21

22 DVB-RCS+M le key features Introduzione di tecniche di Spread Spectrum per rispettare le regolamentazioni sulla potenza per antenne di misure ridotte da usare su aerei, navi, veicoli Handover di satellite, di fascio e di gateway Aggiunta di segnalazione per gestire l handover e il logon Possibilità di trasmettere sul return link una trama DVB-S2 con il modo SCPC e gestione dei 2 tipi di accesso (MF-TDMA e SCPC) Tecniche per contrastare Shadowing/Fading: Codifica eseguita a livello di pacchetto negli strati superiori (Upper Layer FEC) nel forward link Estensione tecniche ACM al contesto di mobilità 22

23 DVB-SH for the handheld devices (I) DVB-SH è un sistema per la trasmissione di servizi multimediali su reti ibridi satellitari e terrestri, a frequenze inferiori a 3 GHz, verso terminali mobili e fissi aventi piccole antenne con direttività molto limitata: cellulari, palmari, computer portatili, nomadici o stazionari. Lo standard fornisce copertura universale combinando in modo cooperativo: SC (Satellite Component): assicura una copertura geografica totale CGC (Complementary Ground Component): fornisce una copertura di tipo cellulare 23

24 DVB-SH for the handheld devices (II) Lo standard definisce 2 architetture che combinano le 2 componenti: 1. SH-A: c. terrestre OFDM + c. satellitare OFDM Turbo codici + Modulazioni QPSK - 16QAM - Non-uniform 16QAM (dal DVB-T/H) 2. SH-B: c. terrestre OFDM + c. satellitare TDM Turbo codici + Modulazioni QPSK 8PSK 16APSK (dal DVB-S2) 24

25 DOCSIS-S Originariamente è stato sviluppato come standard per trasmissioni terrestri via cavo E promosso da ViaSat Consiste di terminali (CM: Cable Modem) e di HUB (CMTS: Cable Modem Termination System) DOCSIS-S implementa lo standard DOCSIS 1.1 al di sopra del livello fisico e un livello fisico specifico per il sistema satellitare Il Forward link utilizza un sistema di turbo codifica con ACM (Adaptive Coding & Modulation) Il MAC layer contiene un MAC header di 6 byte e un ETHERNET packet come payload. L incapsulamento di pacchetti IP richiede un header addizionale di 17 Byte e un CRC32 25

26 IPoS (IP over Satellite) (I) Realizza una rete satellitare a stella in cui un gruppo di terminali comunica con un hub in modalità bi-direzionale SPACE SEGMENT Permette la comunicazione tra hub e terminali in entrambe le direzioni per mezzo di transponder in banda Ku HUB SEGMENT Interconnette la rete di accesso satellitare con le reti esterne (Internet, private packet network..) Svolge le operazioni di aggregazione del traffico, conversione da un protocollo ad un altro, routing e management della rete satellitare USER SEGMENT E responsabile di interfacciare gli user hosts 26

27 IPoS (IP over Satellite) (II) E un always-on IP service: l utente non deve effettuare un nuovo log-on una volta registrato L architettura separa le funzionalità satellite - dependent da quelle satellite - indipendent per mezzo dell interfaccia SI-SAP posizionata tra il livello MAC e il livello Network. Il canale di ritorno è simile al DVB-RCS ma prevede l utilizzo della O-QPSK e di burst di lunghezza variabile 27

28 Confronto tra sistemi satellitari 28

29 Bibliografia 1. ETSI EN : "Digital Video Broadcasting (DVB); Framing structure, channel coding and modulation for 11/12 GHz satellite services, ETSI EN v , "Digital Video Broadcasting (DVB); Second generation framing structure, channel coding and modulation system for Broadcasting, Interactive Services, News Gathering and other broadbandsatellite applications", Final Draft ETSI EN v , "Digital Video Broadcasting (DVB); Framing Structure, channel coding and modulation for Satellite Services to Handheld devices (SH) below 3 GHz, State-of-the-art and new trends in the physical layer of digital satellite communications, Prof. G.E.Corazza, Università di Bologna 5. DOCSIS - S 6. IP over Satellite 29

30 GRAZIE PER L ATTENZIONE! Rosalba Suffritti CNIT- Dipartimento di Elettronica e Telecomunicazioni Laboratorio di Elaborazione Numerica dei Segnali e Telematica (LENST) 30

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