COLLEGAMENTI VIA SATELLITE

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1 COLLEGAMENTI VIA SATELLITE Tipologie: Satelliti per telecomunicazioni Satelliti per comunicazioni intercontinentali (Intelsat) Sistemi satellitari regionali (Europa, Paesi Arabi) e domestici (USA, Messico,Canada Giappone, ecc.) Satelliti per collegamenti marittimi (Inmarsat) Satelliti per applicazioni militari Satelliti per comunicazioni mobili Collegamenti via satellite 2 1

2 Classificazione dei satelliti In base alla loro altezza sulla superficie terrestre: In base alla loro orbita: LEO (low earth orbit) MEO (medium earth orbit) GEO (geostationary earth orbit) Polare Equatoriale Inclinata Collegamenti via satellite 3 SATELLITI GEOSTAZIONARI Orbita circolare di tipo equatoriale Periodo orbitale pari ad un giorno siderale nominale di 24 ore È in orbita equatoriale, ossia è sempre diretto sopra l equatore (inclinazione 0 ) Ruota ad un altezza di circa km dalla terra G = M = N m 2 Kg Kg 2π 2π 6 rad ω = = = T sec r G M 42'260km 2 ω 2 = 3 = = h r R km Collegamenti via satellite 4 2

3 Orientamento dell antenna per satelliti su orbita equatoriale Per orientare l antenna di una stazione di terra verso un satellite è necessario conoscere l azimut angolo di puntamento orizzontale dell antenna è misurato in gradi dalla direzione nord ruotando in senso orario. l angolo di elevazione angolo formato tra la direzione di propagazione dell onda irradiata dalla stazione di terra verso il satellite e l orizzontale d = R + ( h+ R ) 2 R ( h+ R )cos θ ' ( h+ R ) = d + R 2R dcosψ Collegamenti via satellite 5 S S θ = ψ h π 2 d d θ θ ψ R 0 θ R 0 ATTENUAZIONE PER ASSORBIMENTO ATMOSFERICO Più piccolo è l angolo di elevazione, più grande è la distanza di attraversamento dell atmosfera terrestre. Se l angolo di elevazione è inferiore a 5 l attenuazione per assorbimento dovuta a pioggia, nebbia, ecc. diventa eccessiva. 6/4 GHz 14/12 GHz Collegamenti via satellite 6 3

4 Tratta terra -> satellite (UP LINK) Tratta satellite -> terra (DOWN LINK) Le due portanti devono essere separate Le due portanti possono essere 6/4 GHz o 14/12 GHz La tratta DOWN LINK sfrutta sempre la portante a più bassa frequenza per diminuire la potenza in trasmissione a bordo del satellite l attenuazione è inversamente proporzionale alla lunghezza d onda e quindi direttamente proporzionale alla frequenza COLLEGAMENTO Collegamenti via satellite 7 Allocazione delle frequenze per satelliti WARC (World Administrative Radio Conference) Collegamenti via satellite 8 4

5 CARATTERISTICHE DEI SATELLITI Per mantenere la stabilità Movimento di rotazione attorno all asse Energia solare prelevata attraverso celle fotovoltaiche montate sulla superficie del satellite: scarsa efficienza Antenne omnidirezionali Antenne paraboliche ruotanti in direzione contraria rispetto a quella del satellite Sistema giroscopico Energia solare prelevata attraverso celle fotovoltaiche montate su appositi pannelli costantemente rivolte verso il sole Propulsori a combustibile per mantenere l orbita Durata di funzionamento 7-10 anni Collegamenti via satellite 9 INTELS I SATELLITI INTELSAT INTELS III INTELS IV INTELS II Collegamenti via satellite 10 5

6 APPARATI DI BORDO Collegamenti via satellite 11 APPARATI DI TERRA Riflettore iperbolico secondario Riflettore iperbolico primario Duplexer Movimento in elevazione f up f dw Movimento in azimuth Mux (Tx) Demux (Rx) Convertitore a radiofreq - 6GHz modulatore Convertitore a radiofreq - 4GHz demodulatore low A basso rumore Guida d onda Collegamenti via satellite 12 6

7 ACCESSO A DIVISIONE DI FREQUENZA (FDMA) Ad ogni stazione di terra è assegnata una certa banda di frequenza La banda di frequenza disponibile su un trasponditore viene suddivisa fra tutte le stazioni che vi accedono L allocazione di banda per una data stazione dipende dal traffico a cui è soggetta L accesso al satellite avviene in modo contemporaneo a tutte le stazioni In ricezione le stazioni possono prelevare i canali da qualsiasi banda e quindi prelevare i canali ad esse diretti Si ha uno spreco di banda quando una stazione non utilizza tutta la banda ad essa assegnata Si può verificare l impossibilità di trasmettere per una data stazione anche se la banda del trasponditore non è tutta occupata Si ha uno spreco intrinseco di banda necessario all inserimento delle bande di guardie fra i canali riservati alle diverse stazioni, tale spreco aumenta all aumentare delle stazioni che accedono allo stesso trasponditore Collegamenti via satellite 13 ACCESSO A DIVISIONE DI FREQUENZA (FDMA) A ->B A ->C A ->D STAZIONE A (TRASMISSIONE) F pma F pma SATELLITE RICEZIONE F pmc F pmb F pma F pmd F pdc F pdb F pda F pdd EMISSIONE STAZIONE C (RICEZIONE) FpdA F pdb F pdd D ->C A ->C B ->C Collegamenti via satellite 14 7

8 SISTEMA SPADE Tecnica di accesso FDMA Trasmissione del segnale di tipo PCM La banda del transponder è suddivisa in 801 sottobande 1 usata per la segnalazione a 128kbps le rimanenti 800 per 400 canali telefonici a 64kbps La banda totale del transponder è di 36MHz Al canale di segnalazione sono riservati 160kHz Ogni portante è distanziata di 45kHz Collegamenti via satellite 15 SISTEMA SPADE Il canale di segnalazione è suddiviso in unità di 50ms Ogni unità è suddivisa in 50 slot di 128bit Ogni slot è rigidamente assegnato ad una stazione di terra Quando una stazione di terra vuole aprire una comunicazione individua la presenza di un canale libero invia la richiesta per quel canale attraverso il proprio slot sul canale di segnalazione la richiesta giungerà al satellite e, quindi, alle altre stazioni di terra la stazione con identificativo più basso che ha fatto richiesta per uno stesso canale lo ottiene, le altre devono astenersi il canale assegnato ad una stazione rimarrà permanentemente assegnato alla stessa finché non viene rilasciato ottenuto il canale, la stazione invierà la segnalazione relativa alla stazione di terra con la quale vuole collegarsi la comunicazione avverrà sui canali di numerazione omologa (i-i ) Collegamenti via satellite 16 8

9 ACCESSO A DIVISIONE DI TEMPO (TDMA) Il trasponditore realizza periodicamente delle trame all interno delle quali è riservato un diverso intervallo per ogni stazione di terra Ogni trama sarà costituita da un blocco di supervisione e da un insieme di blocchi riservati alle varie stazioni l assegnazione dei blocchi alle varie stazioni non è rigida ma varia con le richieste di traffico provenienti dalle stazioni stesse Le stazioni di terra in trasmissione formeranno delle trame ad intervalli regolari in funzione della dimensione del blocco assegnato all interno della trama TDMA in ricezione Sono necessari dei buffer per memorizzare le informazioni destinate alle altre stazioni che poi verranno inviate al satellite mediante modulazione PSK m-aria Ogni trama inviata dal satellite conterrà un certo numero di bit riservati al preambolo e al postambolo per permettere la sincronizzazione La sincronizzazione è essenziale perché se due stazioni accedono contemporaneamente al satellite si ha la distruzione dei dati a causa degli elevati tempi di ritardo non si possono utilizzare tecniche di rilevazione della portante e/o di detenzione della collisione Collegamenti via satellite 17 ACCESSO A DIVISIONE DI TEMPO (TDMA) Per assicurare la sincronizzazione viene realizzata una supertrama costituita dall insieme di n trame All interno di ogni supertrama ogni trama mantiene sempre la stessa struttura La durata di una supertrama è di qualche secondo La tecnica TDMA, superato il problema della sincronizzazione, ha vantaggi molteplici rispetto alla FDMA: non si hanno sprechi di banda dovuti alla presenza delle bande di guardia necessari nei sistemi FDMA non si hanno problemi di intermodulazione e quindi gli amplificatori possono lavorare alle massime potenze di trasmissione Collegamenti via satellite 18 9

10 DIMENSIONAMENTO Si definisce Effective Isotropic Radiated Power, la potenza che avrebbe un radiatore se fosse isotropico EIRP = P i G T dove P i è la potenza totale irradiata dall antenna se fosse isotropica G T è il guadagno dell antenna trasmittente Sarà ( EIRP ) dbw = Pi ( dbw ) + GT ( db) Se P T è la potenza in uscita dell amplificatore terminale del trasmettitore sarà Pi ( dbw ) = PT ( dbw ) Lo L f dove L 0 è la riduzione di potenza per evitare l intermodulazione L f è la perdita di potenza dovuta alla guida d onda e al filtro di diramazione (si usa per utilizzare la stessa antenna in trasmissione e ricezione) Quindi ( EIRP ) dbw = PT ( dbw ) L0( db) L f ( db) + GT ( db) Collegamenti via satellite 19 DIMENSIONAMENTO Un altro parametro di sistema è il rapporto portante su densità di rumore C N 0 definito come il rapporto fra la potenza media della portante e della sua banda associata C e la densità di potenza di rumore N 0 =KTe Nel caso di collegamenti numerici un ulteriore parametro significativo è la Energia per bit Eb = PT Tb dove P T è la potenza della portante in uscita al trasmettitore e T b il periodo di bit Se B è la banda del segnale, la potenza disponibile di rumore sarà N = N 0 B quindi C Eb r = b = N N B E C C B b = + 0 N r N0 b ( db) N ( db) rb ( db) Collegamenti via satellite 20 B 10

11 DIMENSIONAMENTO Un parametro che rappresenta il fattore di merito del ricevitore è il rapporto guadagno su temperatura equivalente di rumore G T e se l amplificatore di ricezione è a basso rumore e posto vicino all antenna si possono trascurare le perdite dovute al rumore dell amplificatore e alla guida d onda, quindi dove con G R si è indicato il guadagno dell antenna ricevente G A si è indicato il guadagno dell amplificatore di ricezione Sarà quindi G T e = ( db) G = G R G A ( GR ) ( db ) + ( GA) ( db ) ( Te ) ( db) Collegamenti via satellite 21 DIMENSIONAMENTO Il rapporto portante densità di rumore sarà C N 0 P G = i T Ais0 dove C è la potenza media della portante e della banda associata in ricezione, data dal rapporto Pi GT G C = R Ais0 As con P i potenza irradiata dall antenna se fosse isotropica G T guadagno dell antenna di trasmissione G R guadagno dell antenna di ricezione A is0 attenuazione di spazio libero della tratta A s attenuazione supplementare dovuta all attraversamento dell atmosfera Si può quindi effettuare il bilanciamento energetico per la tratta in salita e in discesa Collegamenti via satellite 22 G A R s 1 K T e 11

12 UP-LINK DIMENSIONAMENTO C N 0 db = G ( EIRP) ( ) ( ) ( ) ( ) R dbw Ais0 db As ( db ) Te ( db) della stazione di terra della tratta in salita del satellite ( K ) ( dbw ) DOWN-LINK C N 0 G ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) R = EIRP dbw Ais0 db As ( db ) + ( db) Te ( db ) del satellite in discesa della stazione di terra ( K ) ( dbw ) Collegamenti via satellite 23 DIMENSIONAMENTO Fissata la probabilità d errore P e e il tipo di modulazione utilizzata si può determinare il minimo rapporto E b /N 0, e quindi risalire al minimo valore di C b /N 0 utilizzando la relazione C Eb = +10log10 rb N0 ( db) N0 ( db) ed effettuare il dimensionamento per la tratta in salita e in discesa A titolo esemplificativo consideriamo il seguente collegamento si parte all uscita dell amplificatore di terra con una potenza di 1.2kW (61dBm) attenuazione della guida d onda 1dB (60dBm) guadagno dell antenna in trasmissione altamente direttiva 61dB (EIRP = 121dBm) attenuazione della tratta UP-LINK 200dB (-79dBm) guadagno dell antenna del satellite in ricezione 15dB (-64dBm) guadagno dell amplificatore di bordo 100dB (36dBm) guadagno dell antenna del satellite in trasmissione 15dB (EIRP = 51dBm) attenuazione della tratta DOWN-LINK 197dB (-146dBm) guadagno dell antenna in ricezione 57dB (-89dBm = 1.2pW) Collegamenti via satellite 24 12

13 DIMENSIONAMENTO Collegamenti via satellite 25 ULTERIORI TECNICHE PER I COLLEGEMANTI SATELLITARI Codifica a bit rate ridotta sia dei canali telefonici che televisivi Digital Speech Interpolation Antenne altamente direttive Apparati di commutazione a bordo del satellite Collegamenti diretti fra i satelliti Rigenerazione dei segnali numerici a bordo del satellite Collegamenti via satellite 26 13

14 RETI VSAT Grazie al progresso tecnologico si possono realizzare reti con piccoli terminali periferici, chiamati VSAT (Very Small Aperture Terminal), facilmente istallabili sopra edifici civili Con esse si possono collegare sedi distanti migliaia di chilometri, con prestazioni e costi competitivi con quelli delle reti terrestri In Europa i VSAT operano prevalentemente a 14/12 GHz Usano antenne con diametro compreso tra 1,2 e 2,4 m Le potenze dei trasmettitori sono normalmente comprese tra 1 e 5 W Con queste dimensioni e potenze i VSAT risultano poco costosi e facilmente installabili Collegando un certo numero di VSAT attraverso un satellite, si costituisce una rete che può assumere due tipi di configurazioni: la configurazione a stella e quella a maglia Collegamenti via satellite 27 Permettono il collegamento diretto fra ciascun terminale periferico e una stazione centrale. Sono quindi adatte per realizzare reti private per grandi istituzioni (banche, ministeri, ecc.) in cui la stazione è presso la sede principale dell azienda. Il collegamento tra due terminali periferici richiede il transito attraverso la stazione centrale, con il raddoppio del ritardo di propagazione. RETI VSAT A STELLA Collegamenti via satellite 28 14

15 Quando tra le sedi periferiche interessa avere collegamenti telefonici di buona qualità si ricorre alla reti a maglia. Queste interconnettono direttamente qualunque coppia di VSAT senza transito attraverso la stazione centrale Richiedono di contro terminali con prestazioni migliori. La voce è trasmessa in forma numerica a 32, 16 o 9,6 kbit/s RETI VSAT A MAGLIA Collegamenti via satellite 29 SISTEMI SATELLITARI PER COMUNICAZIONI PERSONALI Sistema Globalstar ICO Iridium Produttori Loran/Qualcomm ICO Global Motorola/SATcom Costo del sistema (Md di $) 2,5 4,6 4,7 Orbita LEO (1415,9 km) MEO (10378 km) LEO (780 km) Numero di satelliti Frequenze salita/discesa (GHz) 1,6/2,4 2,0/2,2 1,6/1,6 N canali vocali per satellite Tecnica di accesso CDMA/FDM TDMA/FDM TDMA/FDM Modulazione CDMA/QPSK QPSK DQPSK Potenza a RF (W) (sist.pcs) 0,5 0,625 0,45 Banda (khz) Tx PCS ,2 31,5 Bit rate (kbit/s) Tx PCS Costo/minuto per canale voc.$ 0,50 1,25 2,00 Anno inizio funzionamento Collegamenti via satellite 30 15

16 Tecnologie di accesso in competizione Wired access: Adsl modem Vdsl modem Cable modem FTTH: Fiber to the Home Wireless terrestre: LMDS: Local Multipoint Distribution Service UMTS: Universal Mobile Telecommunication System Accesso Satellitare: con Return Channel Terrestre (RCT) con Return Channel Satellitare (RCS) offre canali a larga banda svincolati da qualsiasi rete terrestre Collegamenti via satellite 31 Nuove Bande (Ka( / EHF) Frequenze (U/D): Ka: 30/20 GHz (commerciale) EHF: 44/20 GHz (militare) Benefici: antenne di dimensioni ridotte bassa potenza di trasmissione larga banda basse interferenze Problematiche fading: controllo automatico della potenza e sistemi di codifica piu potenti con caratteristiche di dinamicita tecnologia non disponibile per mass production Sistemi satellitari (Ka) Italsat, ACTS, Koreasat, ASTRA 1k, Hotbird 6, Teledesic, Astrolink Sistemi satellitari (EHF) Militari SICRAL, UFO, MILSTAR Commerciali Teledesic, Expressway, Starlynx Collegamenti via satellite 32 16

17 Nuovi Terminali Satellitari: SIT / SUT ETSI EN Satellite Interactive Terminals (SIT) Rx in Ku band 10,70 / 12,75 GHz Tx in Ka band 29,5 / 30,0 GHz ETSI EN Satellite User Terminals (SUT) Rx in Ka band 19,70 / 20,02 GHz Tx in Ka band 29,5 / 30,0 GHz Tipologie di SIT / SUT Type Return Link Antenna size Forward Link RF Power I 144 kbps 60 cm 32 Mbps 1 W II 384 kbps 90 cm 32 Mbps 3 W III 2048 kbps 120 cm 32 Mbps 7 W Collegamenti via satellite 33 Sistemi Satellitari con OBP / ISL I sistemi satellitari con On Board Processing consentiranno la fornitura su larga scala dei nuovi servizi multimediali a larga banda ed a basso costo. Le funzionalita di processamento, multiplazione e instradamento a bordo permetteranno: maggiore dinamicita nella assegnazione delle risorse terminali di dimensioni ridotte Il collegamento diretto tra satelliti (Inter Satellite Link) evitera i collegamenti in double hop tra terminali terrestri, minimizzandone il ritardo. Collegamenti via satellite 34 17