SATELLITI PER TELECOMUNICAZIONI

SATELLITI PER TELECOMUNICAZIONI Sono stati mandati in orbita attorno alla terra, dall inizio degli anni 60 fino ad oggi, qualche migliaio di satelliti artificiali. Di questi, la maggior parte sono di tipo militare ed hanno lo scopo di rilevare la presenza di missili strategici avversari e di altre strutture militari disseminate sul globo. Altri sono di tipo scientifico e servono per il rilievo delle caratteristiche dell atmosfera, del suolo, del mare, dell ozono, o di tipo astronomico, come il telescopio orbitante Hubble o la stazione spaziale internazionale. Esistono inoltre oggi anche diverse centinaia di satelliti per telecomunicazioni in orbita geostazionaria equatoriale che hanno lo scopo di fare da ripetitore fra due stazioni in ponte radio terrestri. In un collegamento satellitare troviamo due tratte di collegamento: 1 UP-LINK è la tratta in salita che collega la stazione di terra con il satellite; 2 DOWN-LINK è la tratta in discesa che collega il satellite con la stazione di terra. I vari tipi di satelliti per telecomunicazioni possono essere suddivisi in alcuni gruppi: - 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. In generale i satelliti (e non solo quelli per TLC) possono essere classificati in base alla loro altezza sulla superficie terrestre e in base alla loro orbita. Si distinguono pertanto in: 1 - LEO (low earth orbit); 2 - MEO (medium earth orbit) 3 - GEO (geostationary earth orbit) E in base all inclinazione della loro orbita rispetto alla terra in: 1 Satelliti Polari; 2 Satelliti Equatoriali; 3 Satelliti con orbita Inclinata. --- SISTEMI DI TLC --- SATELLITI PER TELECOMUNICAZIONI 190

I satelliti più interessanti per le telecomunicazioni sono i satelliti geostazionari, che hanno la caratteristica di essere fissi nello stesso punto per un osservatore che si trova sulla terra. Essi hanno un orbita circolare di tipo equatoriale (ossia sono sempre diretti sopra l equatore (inclinazione 0 )), un periodo orbitale pari ad un giorno siderale nominale di 24 ore e ruotano ad un altezza di quasi 36.000 km dalla terra (35.784 km). Dimostriamo per quale motivo un satellite geostazionario deve essere posto alla distanza di 35784 Km dalla terra. Consideriamo la situazione in figura: Sul satellite agiscono due forze: la forza di gravità che tenderebbe a farlo precipitare sulla superficie terrestre e la forza centrifuga che tenderebbe a farlo allontanare. Affinché il satellite rimanga in orbita geostazionaria deve essere Forza di gravità = Forza centrifuga, ossia deve valere la relazione seguente: dove conosciamo l accelerazione di gravità G, la massa della terra M, la massa del satellite m ed essendo ω = 2π, con T = 24 ore = 86400 secondi, cioè ω = 72,6 10-6, è facile determinare il T raggio dell orbita del satellite, che verrà calcolato in funzione del centro della terra! Si avrà quindi: Si trova all incirca che r = 42264 Km a cui deve essere sottratto il valore del raggio terrestre per trovare quel valore di 35784 Km prima detto. Per cui un satellite che ruota con orbita equatoriale a 35784 Km di altezza viene visto dalla terra come un punto fermo. Molti satelliti per telecomunicazione russi utilizzano un orbita inclinata, per cui un ipotetica antenna di terra, anziché puntare sempre sullo stesso punto, deve avere degli spostamenti veloci. Affinché il collegamento tra antenna terrestre e satellite sia realizzabile, le antenne devono avere un elevato guadagno, devono cioè essere molto direttive, dato che la grandissima distanza causa una notevole attenuazione. Per avere il massimo del guadagno, pertanto, è necessario che l orientamento dell antenna sia molto preciso. Per orientare l antenna di una stazione di terra verso un satellite è necessario conoscere l angolo di elevazione e l azimut. --- SISTEMI DI TLC --- SATELLITI PER TELECOMUNICAZIONI 191

L angolo di elevazione è l angolo formato tra la direzione di propagazione dell onda irradiata dalla stazione di terra verso il satellite e l orizzontale. L azimut è l angolo di puntamento orizzontale dell antenna. È misurato in gradi dalla direzione nord ruotando in senso orario. Schematizziamo nella seguente figura l angolo di elevazione: S d θ Determiniamo quindi la distanza d e l angolo di elevazione θ del satellite geostazionario: Sia θ la latitudine, R 0 il raggio della terra (6378 km), h l altezza del satellite (35.785 km); la distanza d è: 2 2 2 d = R + h + R R h + R cosθ L angolo Ψ si trova dall equazione: 0 ( ) ( ) ' 0 2 0 0 L angolo di elevazione è: 2 2 2 ( h + R ) = d + R R cosψ 0 0 2 0 d θ = ψ π 2 S d h θ ψ R 0 θ R 0 E facile osservare che man mano che la stazione di terra si avvicina ai poli, l angolo di elevazione tende a diminuire. Diminuendo l angolo di elevazione, aumenta la distanza d prima calcolata e quindi aumenta l attenuazione del segnale. In particolare se l angolo di elevazione è inferiore a 5 l attenuazione per assorbimento dovuta a pioggia, nebbia, ecc. diventa eccessiva. Quindi, bisogna posizionare le antenne terrestri in modo tale che l angolo di inclinazione sia maggiore di 5. Nelle seguenti figure è rappresentato l andamento dell attenuazione per assorbimento alle frequenze 6/4 GHz in figura a e alle frequenze 14/12 GHz in figura b. --- SISTEMI DI TLC --- SATELLITI PER TELECOMUNICAZIONI 192

Questi grafici dimostrano ancora una volta quanto sia inefficace un collegamento con angolo di inclinazione inferiore a 5 ; indipendentemente dalla frequenza, infatti, per piccoli angoli di elevazione, si hanno attenuazioni proibitive! Teoricamente basterebbero tre satelliti geostazionari per coprire tutta la superficie terrestre, a meno dei poli. Infatti, per angoli di elevazione di 5 si copre circa il 33,3 % della superficie. Tre satelliti GEO, in queste condizioni, e posti a 120, sarebbero quindi capaci di coprire il 99,9 % della superficie. In realtà in orbita ne vengono inviati più di tre per ogni serie: attualmente se ne mandano 6 7 per tipo; questo perché si prevengono eventuali guasti e perché le zone di maggiore traffico, come gli oceani atlantico e indiano, sono coperti da più di un satellite. Nella storia dei lanci spaziali furono fatte numerose prove per testare le possibilità di sfruttare un satellite per il trasferimento di onde elettromagnetiche. La tabella seguente riassume le caratteristiche dei satelliti INTELSAT lanciati dal 1965 al 1986. --- SISTEMI DI TLC --- SATELLITI PER TELECOMUNICAZIONI 193

Nella figura seguente sono rappresentati due classi di satelliti per telecomunicazioni: SPINNER in figura a, SATELLITE STABILIZZATO SU TRE ASSI in figura b. Sono entrambi controllabili da terra tramite dei razzi che correggono le loro traiettorie: il carburante per tali manovre è l idrazina che ovviamente è in quantità finite a bordo dei satelliti; ed è proprio la quantità del carburante la principale causa della perdita dei satelliti: quando questo finisce, infatti, i satelliti vanno alla deriva e precipitano sulla terra. Per questo motivo la vita media dei satelliti per TLC è di 6-7 anni. La caratteristica principale degli SPINNER è che questi ruotano attorno al proprio asse, oltre a ruotare con la terra. Sono ricoperti interamente da pannelli solari che alimentano le apparecchiature di bordo. Le antenne, dovendo essere sempre direzionate verso la terra ruotano in senso inverso e con la stessa velocità del modulo: il risultato è che sono ferme rispetto alla terra. I satelliti stabilizzati su tre assi, invece non ruotano attorno al proprio asse e hanno dei pannelli solari costantemente rivolti verso il sole e l antenna costantemente rivolta verso la terra. Con lo sviluppo tecnologico si è avuta anche una evoluzione dei servizi di telecomunicazioni via satellite: questa evoluzione è schematizzata qui sotto: Anni settanta Telefonia a grande distanza Video punto-punto Anni ottanta Distribuzione video e audio Dati punto-punto Radiodiffusioni private Reti private Anni novanta-2000 Radiodiffusione TV digitale Voce e dati interattivi Comunicazioni mobili Gli ultimi sviluppi dei servizi per TLC hanno riportato di moda l uso dei satelliti per telecomunicazioni: infatti con le tecniche WDM i collegamenti telefonici a grande distanza su fibra --- SISTEMI DI TLC --- SATELLITI PER TELECOMUNICAZIONI 194

ottica sono molto più convenienti rispetto ai collegamenti a grande distanza via satellite, che comunque oggi, proponendo nuovi servizi che le fibre ottiche non possono offrire, stanno divenendo indispensabili. L organismo internazionale WARC (World Administrative Radio Conference) ha stabilito un piano di allocazione delle frequenze per satelliti. Il tutto è schematizzato nella figura qui sotto: Ovviamente dobbiamo ricordare che per frequenze superiori ai 10 GHz, si devono utilizzare opportune tecniche di codifica del segnale per far fronte alle attenuazioni, dovute agli agenti atmosferici, al Fading STRUTTURA DEL SATELLITE Consideriamo un generico satellite che può essere rappresentato come in figura: I Pannelli Solari hanno la funzione di alimentare gli apparati di bordo; uno di questi apparati è il Transponder che ha il compito di ricevere il segnale, convertirlo alla frequenza di down-link e amplificarlo: ciò è quello che avviene nei ponti radio terrestri e il motivo è proprio lo stesso. Le Antenne caratterizzate da guadagni molto elevati hanno il compito di ricevere il segnale, inviarlo al transponder (antenna ricevente), ricevere il segnale dal transponder e inviarlo sulla terra (antenna trasmittente). I Propulsori consentono di effettuare quei piccoli spostamenti correttivi necessari a mantenere il satellite in una ben precisa orbita. --- SISTEMI DI TLC --- SATELLITI PER TELECOMUNICAZIONI 195

SCHEMA DI UN TRANSPONDER SATELLITARE Il segnale proveniente dalla terra a 6 o 14 GHz viene ricevuto e filtrato da un filtro passa basso che elimina il rumore fuori banda. Il segnale viene amplificato da un amplificatore a basso rumore, considerando che è arrivato molto attenuato; spesso questi amplificatori sono immersi in elio liquido, poiché più è bassa la temperatura più è bassa la densità di potenza di rumore. Il segnale viene quindi inviato ad un convertitore di frequenza che la abbassa di 2 GHz: in pratica in uscita il segnale è a frequenze di 4 o 12 GHz. Il segnale viene amplificato in un tubo ad onda progressiva, che è un amplificatore di microonde e quindi inviato alla stazione di terra. STRUTTURA DEI RICEVITORI-TRASMETTITORI TERRESTRI L antenna della stazione di terra è costituita da due riflettori che inviano l onda al satellite; quindi si ha un Duplexer che ha lo scopo di dividere la frequenza in trasmissione da quella in ricezione e separare nella giusta guida d onda il segnale da trasmettere e quello ricevuto. E di fondamentale importanza l apparato meccanico che consente di orientare opportunamente l antenna verso il satellite; possiamo anche osservare le guide d onda dove viaggia il segnale in trasmissione ed in ricezione. I segnali da trasmettere al satellite vengono prima multiplati; quindi il flusso viene convertito da frequenza intermedia (IF) a --- SISTEMI DI TLC --- SATELLITI PER TELECOMUNICAZIONI 196

radiofrequenza (6 GHz); quindi viene modulato, amplificato e inviato tramite le guide d onda all antenna trasmittente. Viceversa, il segnale ricevuto da satellite viene convogliato in guida d onda amplificato da un amplificatore a basso rumore, demodulato, quindi convertito da radiofrequenza (4 GHz) a frequenza intermedia (IF) ed infine viene inviato ad un demultiplatore in uscita del quale si hanno i diversi canali. Di seguito sono riportati rispettivamente gli schemi di un trasmettitore e di un ricevitore terrestri. --- SISTEMI DI TLC --- SATELLITI PER TELECOMUNICAZIONI 197

TECNICHE DI ACCESSO MULTIPLO AL TRANSPONDER A differenza dei ponti radio, nel caso delle comunicazioni satellitari, poiché bisogna condividere un unico mezzo che è il satellite, o meglio il Trasponder satellitare, è necessario utilizzare delle tecniche di accesso multiplo al transponder. Con la tecnica di accesso multiplo un singolo transponder è utilizzato da più stazioni di terra come si intuisce dalla seguente rappresentazione. Le tecniche di accesso multiplo utilizzate sono le seguenti: accesso multiplo a divisione di frequenza FDMA (fig. a), accesso multiplo a divisione di tempo TDMA (fig. b), accesso multiplo a divisione di codice CDMA (fig. c). Nella tecnica FDMA, la banda disponibile del transponder viene suddivisa in n sottobande, ognuna delle quali viene assegnata ad una stazione di terra diversa (fig. a). Nella tecnica TDMA, tutte le stazioni di terra utilizzano la stessa frequenza portante ma accedono al transponder in intervalli di tempo diversi (fig. b). Nella tecnica CDMA si utilizza tutta la banda del transponder per tutto il tempo: la differenza tra i canali è rappresentata da un codice che è univoco ed identifica le comunicazioni di quella particolare stazione (fig. c). La tecnica più utilizzata oggi per l accesso multiplo al transponder è il TDMA mentre quella meno utilizzata è il CDMA. L accesso multiplo può essere effettuato secondo le tecniche seguenti: - Con preassegnazione, o FAMA (Fixed-Assignment Multiple Access) in cui il numero di canali tra le stazioni di terra è preassegnato; - Con assegnazione su domanda, o DAMA (Demand-Assignment Multiple Access) in cui i canali sono assegnati a richiesta in base alla domanda di traffico della stazione di terra. --- SISTEMI DI TLC --- SATELLITI PER TELECOMUNICAZIONI 198

TECNICA FDMA FAMA La tecnica FDMA con preassegnazione consiste: 1- Nell allocare n portanti nella banda del trasponditore (ciascuna modulata FM da un sistema in banda base FDM); 2- Nell assegnare ciascuna portante ad una stazione di terra per la trasmissione verso altre stazioni; 3- Nella ritrasmissione di tutte le n portanti dal satellite verso tutte le stazioni di terra; 4- Nella ricezione in ciascuna stazione di tutte le portanti e della estrazione dei canali che sono destinati ad essa provenienti dalle altre stazioni. Qui a fianco è rappresentato un esempio in cui una stazione A vuole trasmettere un canale a B uno a C e uno a D. Allora A invia al satellite un segnale opportunamente modulato che viene ricevuto dal satellite insieme a quelli di altre comunicazioni. Il transponder, dopo aver effettuato la conversione della frequenza, invia a tutte le stazioni di terra i segnali ricevuti. Tra tutte le stazioni di terra, anche B, C, e D riceveranno l intero segnale. Sarà compito dei singoli ricevitori quello di filtrare il canale ad essi dedicato. Nella procedura appena descritta abbiamo semplificato al massimo quello che avviene poiché è già stato descritto prima: abbiamo centrato l attenzione solo sul Filtraggio del canale al ricevitore. Ecco schematizzato l apparato trasmettitore della stazione A dell esempio precedente. --- SISTEMI DI TLC --- SATELLITI PER TELECOMUNICAZIONI 199

Schema dell allocazione delle frequenze per il Transponder relativo all esempio precedente. Possibilità di multiplazione di un trasponditore FDMA Un solo transponder con una sola portante a 36 MHz fornisce fino a 900 canali telefonici (ogni canale occupa 4 KHz). Se invece abbiamo un transponder con 7 portanti e vogliamo avere una larghezza di banda per portante di 5 MHz, allora avremo un numero di canali per portante pari a 60 e un numero di canali per transponder pari a 420 = 60 7; ciò significa che se aumenta il numero di portanti all interno del transponder, diminuisce il numero totale di canali che posso trasmettere per transponder. Supponiamo ad esempio di considerare un satellite nella banda 6/4 GHz con 24 transponder, ognuno dei quali ha una banda di 36MHz. Nella figura seguente si può vedere che abbiamo 12 transponder nella banda 3700-4200 MHz, altri 12 nella stessa banda! Ciò è dovuto al fatto che si può sfruttare il discorso della polarizzazione orizzontale o verticale: cioè si utilizza la stessa portante ma polarizzazione diversa consentendo un migliore sfruttamento delle frequenze. --- SISTEMI DI TLC --- SATELLITI PER TELECOMUNICAZIONI 200

TECNICA FDMA DAMA Analizziamo in particolare l allocazione delle frequenze del sistema SPADE (Single channel-percarrier PCM multiple access demand assignment). La banda totale è suddivisa in due sottobande: in ognuna ci sono 400 portanti distanti tra di loro di 45 KHz. Le stazioni di terra chiedono delle portanti, cioè dei canali (a ogni portante corrisponde un singolo canale telefonico) al transponder tramite il Common Signaling Channel; il transponder assegna così due portanti una per l up-link ed una per il down-link; come si può vedere dalla figura non tutte le portanti disponibili vengono assegnate alle stazioni di terra: alcune non vengono usate. TECNICA TDMA Ciascuna stazione di terra trasmette un breve burst di dati, tramite una portante modulata con modulazione numerica, durante un determinato intervallo di tempo (time slot) dentro una trama TDMA. I vari burst delle stazioni sono sincronizzati in modo da arrivare al transponder del satellite in tempi diversi. Di conseguenza, solo una portante è presente nel trasponder in un determinato tempo. Ciascuna stazione di terra riceve i burst da tutte la altre stazioni e deve selezionare il traffico indirizzato solo ad essa. Supponiamo, per esempio, di avere una stazione A che vuole trasmettere verso diverse stazioni. Deve ovviamente effettuare una multiplazione a divisione di tempo per cui ogni 125 µs, ad esempio, invia un burst di dati indirizzati ad una ben determinata stazione. Questa informazione viene inviata ad un buffer che immagazzina i dati per il tempo di attesa per la trasmissione della stazione. Il segnale viene modulato con una modulazione numerica (es. PSK) quindi amplificato e trasmesso a radiofrequenza. Sul transponder satellitare le informazioni vengono organizzate in una trama composta da vari time slot corrispondenti ai dati inviati da ogni singola stazione. Il segnale viene convertito in frequenza, amplificato e ritrasmesso. In ricezione ogni stazione riceve l intero segnale che viene amplificato, demodulato e demultiplati: quindi viene filtrata solo l informazione destinata a quella particolare stazione. Quanto detto è rappresentato in figura: --- SISTEMI DI TLC --- SATELLITI PER TELECOMUNICAZIONI 201

Analizziamo nella figura seguente la struttura della trama del transponder: i blocchi preambolo e post-ambolo sono blocchi di sincronizzazione: --- SISTEMI DI TLC --- SATELLITI PER TELECOMUNICAZIONI 202

La tabella seguente riassume i vantaggi e gli svantaggi delle tecniche TDMA e FDMA. Tecnica di accesso Vantaggi Svantaggi FDMA FDMA TDMA TDMA TDMA Utilizzazione e facile espandibilità di hw esistente Non è richiesta temporizzazione di rete Eliminazione delle interferenze tra le portanti Massima utilizzazione di potenza e di banda del transponder satellitare Riduz. della potenza del transponder all aumentare del n di portanti per evitare intermodulaz. Allocazione delle frequenze difficile da modificare Potenza di picco in trasmissione più alta rispetto a FDMA Sistemi più costosi rispetto alla tecnica FDMA Controllo e temporizzazione di rete --- SISTEMI DI TLC --- SATELLITI PER TELECOMUNICAZIONI 203

LE RETI V-SAT Negli ultimi anni si sono sviluppate delle reti satellitari private: l evoluzione tecnologica ha permesso di ridurre le dimensioni degli apparati satellitari e delle antenne; stazioni satellitari piccole, con antenne di diametro dell ordine di 1.2-1.8 m, sono oggi molto diffuse. Tali sistemi, identificati con l acronimo VSAT (Very Small Aperture Terminals), possono essere installati facilmente nella postazione dell utente e permettono di realizzare molti servizi, quali ad esempio broadcast, distribuzione per dati, audio e video, applicazioni interattive bidirezionali ed internet. Con le reti VSAT si possono collegare sedi distanti migliaia di chilometri, con prestazioni e costi competitivi con quelli delle reti terrestri. La connessione di due dispositivi VSAT detta hop utilizza due collegamenti via satellite a frequenza radio (RF): l uplink (terra-satellite) ed il downlink (satellite-terra) : il ritardo di propagazione per un hop è di circa 0.25 secondi. 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. Le reti VSAT a stella permettono il collegamento diretto fra ciascun terminale periferico e una stazione centrale (Hub). Sono quindi adatte per realizzare reti private per grandi istituzioni (banche, ministeri, ecc.) in cui la stazione centrale 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. Quando tra le sedi periferiche interessa avere collegamenti telefonici di buona qualità si ricorre alle reti VSAT 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 --- SISTEMI DI TLC --- SATELLITI PER TELECOMUNICAZIONI 204

RETE VSAT A STELLA RETE VSAT A MAGLIA Per reti magliate VSAT, occorre considerare le seguenti limitazioni: L attenuazione in un hop, che tipicamente è dell ordine di 200 db; la limitata potenza del trasponder del satellite, che non può superare poche decine di Watt ; la piccola dimensione delle antenne VSAT, che limita la potenza di trasmissione e la sensibilità in ricezione. Per tali motivi la qualità del segnale ricevuto può non essere sufficiente; in tal caso, e per alcune applicazioni, collegamenti diretti VSAT-VSAT via satellite possono non essere realizzabili. Il problema può essere risolto inserendo nel sistema VSAT una stazione più grande, detta hub, che ha generalmente un diametro di antenna variabile da 4 a 11 metri. Questo permette di ottenere un guadagno più elevato, una potenza di trasmissione più elevata ed una maggiore capacità. L hub permette quindi di ricevere in modo adeguato tutte le portanti trasmesse dai VSAT, e di trasportare tali informazioni in modo opportuno verso tutti i VSAT come se fossero proprie informazioni. In presenza di un hub quindi l architettura del sistema passa da maglia a stella. Ambedue le architetture permettono di realizzare collegamenti bidirezionali. Pertanto la connessione bidirezionale tra due terminali d utente può essere ottenuta in due modi, a seconda della configurazione di rete VSAT: - Connessione diretta VSAT-VSAT via satellite, se la qualità del segnale ricevuto risulta sufficiente per l applicazione considerata; - Utilizzando un hub, e quindi un doppio hop via satellite (inbound link e outbound link) in un architettura a stella, con conseguente aumento del ritardo di propagazione. L utilizzo di un double hop (e quindi di un hub) permette di aumentare la capacità del link senza modificare le dimensioni dei VSAT (ma al prezzo di un più elevato ritardo di propagazione). A causa di tale ritardo, si preferisce il primo tipo di connessione per le applicazioni telefoniche. Caratteristiche del traffico tra hub e VSAT Trasferimento dati o broadcasting: appartiene alla tipologia di comunicazione one-way; tipicamente comporta trasferimenti di file di dati con dimensioni variabili da 1 a 100 Mbytes. Tali applicazioni non sono sensibili al ritardo, ma necessitano di un elevato grado di correttezza dei dati trasferiti. Esempi: download nei computer e distribuzione di dati verso siti remoti. Dati interattivi: è un servizio two-way corrispondente a più transazioni per minuto e per terminale; tali transazioni riguardano trasferimenti di singoli pacchetti di dimensioni variabili da 50 a 250 --- SISTEMI DI TLC --- SATELLITI PER TELECOMUNICAZIONI 205

bytes. Il tipico tempo di risposta necessario è di alcuni secondi. Esempi: transazioni bancarie e trasferimenti di fondi monetari nei punti vendita. Domanda/risposta: è un servizio two-way corrispondente a più transazioni per minuto e per terminale; i pacchetti inbound (30-100 bytes, per la richiesta) sono tipicamente più piccoli dei pacchetti outbound (500-2000 bytes, per la risposta). Anche qui il tempo di risposta è generalmente di alcuni secondi. Esempi: prenotazioni aeree o di hotels e consultazione di database. Supervisory Control And Data Acquisition (SCADA): è un servizio two-way corrispondente ad una transazione per secondo (o minuto) per terminale; i pacchetti inbound (100 bytes) sono tipicamente più grandi dei pacchetti outbound (10 bytes). Esempi: controllo e monitoraggio di condutture, piattaforme marine, funzionalità elettriche e risorse idriche. Vantaggi e svantaggi dei VSAT Riassumiamo schematicamente quindi i vantaggi delle reti VSAT: - Possibilità di realizzare collegamenti sia punto- punto che punto-multipunto. - Trasferimento dati asimmetrico. - Flessibilità: le stazioni remote di una rete VSAT possono essere facilmente installate o spostate. - Reti private: offre ai propri operatori la possibilità di controllare la qualità e l affidabilità della trasmissione. - Bassa Bit Error Rate: la BER di una rete VSAT è tipicamente dell ordine di 10-7. - Costi indipendenti dalla distanza. Tra gli svantaggi ricordiamo: - Possibilità di interferenza elevata. - Facilità di spiare la comunicazione; per evitare ciò occorre quindi utilizzare la crittografia. - Possibile perdita di un trasponder (failure della rete); il collegamento può quindi essere ripristinato utilizzando un trasponder libero. - Ritardo di propagazione elevato. Sistemi satellitari per comunicazioni personali Ci sono parti del mondo in cui il territorio non è sufficientemente coperto da stazioni radio base, ad esempio, per cui le comunicazioni personali sono difficili se non impossibili. Sono stati lanciati in orbita per questo motivo, da aziende private, dei satelliti, o meglio delle costellazioni di satelliti, che soddisfano tali esigenze. Consideriamo il caso dei telefoni satellitari: ovviamente tali sistemi satellitari non permettono solamente comunicazioni vocali! Poiché il telefono deve essere portatile non può avere grandi dimensioni: quindi i satelliti non possono essere geostazionari, poiché altrimenti le attenuazioni del segnale, che già parte a basso livello, renderebbero inefficiente la comunicazione. Lo schema seguente mostra le caratteristiche di tre sistemi satellitari per comunicazioni personali: GLOBALSTAR, ICO, IRIDIUM. Sistema Globalstar ICO Iridium Produttori Loran/Qualcomm ICO Global Motorola/SATcom Costo del sistema 2,5 4,6 4,7 (Mld di $) Orbita LEO (1415,9 MEO (10378 LEO (780 km) km) km) Numero di satelliti 48 10 66 Frequenze salita/discesa 1,6/2,4 2,0/2,2 1,6/1,6 --- SISTEMI DI TLC --- SATELLITI PER TELECOMUNICAZIONI 206

(GHz) N canali vocali 2400 4500 1100 per satellite Tecnica di accesso CDMA/FDM TDMA/FDM TDMA/FDM Modulazione CDMA/QPSK QPSK DQPSK Potenza a RF (W) 0,5 0,625 0,45 (sist.pcs) Banda (khz) Tx 12,5 25,2 31,5 PCS Bit rate (kbit/s) Tx 24 36 50 PCS Costo/minuto per 0,50 1,25 2,00 canale voc.$ Anno inizio funzionamento 2000 2001 1998 CRITERI PER IL DIMENSIONAMENTO DI UN COLLEGAMENTO SATELLITARE Prima di tutto andiamo a definire i parametri di sistema: --- SISTEMI DI TLC --- SATELLITI PER TELECOMUNICAZIONI 207

Quindi, come avveniva per i ponti radio, si analizza il diagramma dei livelli del collegamento satellitare. Ecco un esempio di diagramma dei livelli satellitare: Il discorso del diagramma dei livelli è analogo a quello del ponte radio; bisogna fare attenzione al fatto che la frequenza del segnale inviato dal satellite è scelta più bassa a quella del segnale ricevuto: ciò avviene sia perché le frequenze devono essere diverse per evitare l autooscillazione, sia perché essendo più bassa la frequenza in down-link, sarà più bassa l attenuazione di spazio libero dal satellite alla stazione di terra, rispetto a quella che si ha dalla stazione di terra al satellite. Quanto detto non è casuale: infatti le antenne di terra possono essere più grandi, quindi avere un --- SISTEMI DI TLC --- SATELLITI PER TELECOMUNICAZIONI 208

guadagno maggiore rispetto a quelle satellitari, che hanno dei limiti di peso, quindi hanno dimensioni limitate, motivo per cui presentano un guadagno inferiore rispetto alle antenne di terra! Per effettuare il link badget di un collegamento via satellite, occorre analizzare separatamente le sezioni uplink e downlink. Le equazioni del collegamento ottenute considerano solamente i guadagni e le attenuazioni ideali e gli effetti del rumore termico associato con le stazioni di terra trasmittenti e riceventi e con il transponder del satellite. L equazione della tratta in salita è: dove: A 0 = attenuazione della tratta in salita; P i = potenza irradiata; A s = attenuazione supplementare; G T e G R = guadagni delle antenne trasmittente e ricevente. Passando ai db si ha: L equazione della tratta in discesa è: Dove in questo caso l EIRP è quello del satellite, e il rapporto G/T e è quello della stazione di terra ricevente. Il bilancio del collegamento identifica i parametri del sistema, ed è usato per determinare C/N e ed E b /N 0 ai ricevitori del satellite e della stazione di terra, per un dato sistema di modulazione ed una desiderata probabilità di errore P(e). Calcolato C/N 0 per le due tratte, si trova in corrispondenza: Determinati (E b /N 0 ) s per la tratta in salita ed (E b /N 0 ) d per la tratta in discesa, si ottiene: Noto (E b /N 0 ) totale, si può facilmente --- SISTEMI DI TLC --- SATELLITI PER TELECOMUNICAZIONI 209

calcolare, dal grafico accanto, la probabilità di errore corrispondente. I vari livelli si riferiscono al numero dei punti della costellazione riferiti al tipo di modulazione. Trovato il valore della probabilità d errore si può facilmente verificare se le specifiche prefissate sono state soddisfatte oppure se bisogna cambiare qualche parametro nel progetto. Vale anche il contrario: data una P e si trova la corrispondente E b. Per concludere, enunciamo quali sono le tecniche più evolute che si utilizzano nei sistemi satellitari moderni, sia per il miglioramento del servizio, sia per risparmiare in termini di occupazione di banda del transponder satellitare. - Sistemi di codifica di sorgente per segnali audio (mp3) e video (mpeg, jpeg), che permettono la riduzione della banda del transponder. - Tecnica DSI (Digital Speech Interpolation) permette, per i canali telefonici numerici, di aumentare il numero di canali che si possono trasmettere contemporaneamente: infatti nei momenti di silenzio in una comunicazione, quella banda viene assegnata ad un altra comunicazione; considerando che, in una normale conversazione telefonica, per il 50% del tempo si parla e per il 50% si ascolta, la banda utile, con questa tecnica, si raddoppia. - Polarizzazione incrociata dell onda e.m. che consente la duplicazione dell utilizzo delle frequenze. - Antenne multifascio a bordo del satellite che concentrano la loro potenza in zone che sono con elevata densità di traffico, aumentando notevolmente il guadagno. - Accesso SS-TDMA che consente la commutazione dinamica del traffico tra fasci multipli, quindi commuta la direzione di puntamento delle antenne in base alle esigenze di quel preciso istante di tempo. - Intersatellite link (ISL) che consente collegamenti tra satelliti evitando di effettuare collegamenti multipli terra-satellite per raggiungere una stazione di terra che si trova nella zona opposta del globo rispetto alla stazione trasmittente: così si riduce notevolmente il ritardo nella propagazione del segnale. - Rigenerazione dei segnali a bordo per cui il segnale è a qualità più elevata. SISTEMI SATELLITARI: Nuovi Servizi e Requisiti I sistemi satellitari moderni presentano una vasta offerta di servizi multimediali: Videoconferenza, Telemedicina, Accesso veloce ad Internet, Teledidattica, TV Interattiva, Commercio elettronico, Integrazione dei servizi fonia e dati, Mobilita, Larga Banda, Copertura globale, Sicurezza. Il requisito base per tutti i nuovi servizi multimediali è la possibilità di accesso a larga banda. Riepiloghiamo, quindi, tutte le tecniche di accesso a larga banda: - 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) e con Return Channel Satellitare (RCS). Ad oggi, le caratteristiche da evidenziare per l accesso satellitare a larga banda sono: - Maggiore copertura geografica rispetto alle altre tecnologie. - Attivazione veloce. - 37 milioni di abitazioni in Europa con tecnologia satellitare nel 2005, in continua e rapida crescita. - Il valore stimato del business annuo e di circa 180 miliardi di dollari nel 2005. - Il servizio della TV interattiva è l elemento che avrà maggiori richieste nei prossimi anni. Attualmente i sistemi satellitari vengono offerti con un canale di ritorno terrestre caratterizzato da una banda limitata e vincolato alla presenza della rete fissa terrestre. --- SISTEMI DI TLC --- SATELLITI PER TELECOMUNICAZIONI 210

L evoluzione porta verso un canale di ritorno satellitare, che puo offrire canali a larga banda svincolati da qualsiasi rete terrestre: per far ciò occorre però risolvere le problematiche legate alle interferenze per permettere l accesso ad una banda condivisa da molti utenti; bisogna quindi stabilire dei protocolli per una rapida e facile installazione di una stazione terrestre e arrivare ad una standardizzazione delle interfacce (HW e SW) per consentire la interoperabilita tra i terminali. C è da dire che oggi tutto quello che abbiamo appena detto è già realtà! Per far ciò sono state stabilite nuove bande di frequenze: Ka (30/20 GHz (commerciale)), EHF(44/20 GHz (militare)). I benefici introdotti dall aumento delle frequenze sono: antenne di dimensioni ridotte, bassa potenza di trasmissione, larga banda, basse interferenze. Di contro gli svantaggi sono: il fading e i costi (tecnologia non disponibile per mass production ). Tra i Sistemi satellitari in banda Ka ricordiamo: Italsat, ACTS, Koreasat, ASTRA 1k, Hotbird 6, Teledesic, Astrolink. Tra i Sistemi satellitari in banda EHF ricordiamo, invece, quelli Militari (SICRAL, UFO, MILSTAR) e quelli Commerciali (Teledesic, Expressway, Starlynx). SIT / SUT Tra le ultime normative dell ETSI ricordiamo quelle che definiscono dei nuovi terminali satellitari: i cosiddetti SIT / SUT. - ETSI EN 301 359 - Satellite Interactive Terminals (SIT) Ricezione in banda Ku 10,70 12,75 GHz; trasmissione in banda Ka 29,5 30,0 GHz. - ETSI EN 301 358 - Satellite User Terminals (SUT) Ricezione in banda Ka 19,70 20,02 GHz; trasmissione in banda Ka 29,5 30,0 GHz. Tipologie di connessione SIT/SUT --- SISTEMI DI TLC --- SATELLITI PER TELECOMUNICAZIONI 211

SERVIZI INTERNET TCP/IP Le nuove applicazioni multimediali sono basate principalmente sui servizi Internet TCP/IP. Le caratteristiche dei link satellitari e wireless, cioè Bit error rate elevato, Round Trip Time (ritardo di propagazione) elevato, Fading, causano inefficienze nell utilizzo della banda. Sono necessarie delle soluzioni interoperabili con le reti terrestri; per questo motivo negli enti di standardizzazione (IETF, ETSI) e nelle agenzie spaziali ( ESA, NASA ) sono attivi diversi gruppi di lavoro. 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 e minori dimensioni dei terminali. Il collegamento diretto tra satelliti (Inter Satellite Link) evitera i collegamenti in double hop tra terminali terrestri, minimizzandone il ritardo. Per cui possiamo concludere che i nuovi sistemi satellitari, già comincia ad essere così, saranno del tipo OBP/ISL! --- SISTEMI DI TLC --- SATELLITI PER TELECOMUNICAZIONI 212