Comunicazioni satellitari

Utilizzo dei satelliti

Le reti satellitari trovano applicazioni nel campo :

• delle telecomunicazioni (telefonia, televisione e telematica), • nella navigazione marittima• nel campo militare. Questi sistemi sono spesso l'unica soluzione

applicabile in mancanza di infrastrutture terrestri o di difficile dislocazione.

Arthur C. Clarke

Lo scrittore di fantascienza autore di “2001: Odissea nello spazio” viene indicato come l'ideatore dei sistemi satellitari.

In suo onore l'orbita geostazionaria della Terra è stata chiamata

"Fascia di Clarke".

Egli fu il primo ad ipotizzare, in un articolo pubblicato nel 1945, l'utilizzo dell'orbita geostazionaria per i satelliti dedicati alle telecomunicazioni.

Come sono fatti

• Sul satellite sono installati molti sistemi, alcuni dei quali servono al funzionamento del satellite stesso (batterie, propulsori, pannelli solari, sistema di controllo della navigazione, telemetria, sistemi di controllo termico), altri costituiscono il carico (payload) per il quale il satellite è stato lanciato, ovvero il sistema di comunicazione. Il payload è costituito da:

• una o più antenne

• unità di ricevitori e trasmettitori (che prendono il nome di transponder)

• calcolatori elettronici nel caso in cui il satellite disponga di un sistema di elaborazione dati a bordo (on-board processing)

I segnali trasmessi dal e verso il satellite prendono il nome di portanti (carrier).

I trasponder

f1f2

amplifica

spot

2001

Tipologia di sistemi

I sistemi satellitari possono essere classificati secondo il tipo di orbita e l'altitudine sulla quale vengono collocati:

• LEO - Low Earth Orbit

• MEO - Medium Earth Orbit

• GEO - Geostationary Earth Orbit

• LEO: sono vicini 400km(da 200 a 2000Km), comportano poco ritardo(tempo di latenza da 1 a 7 ms), ma la terra emersa e’ solo il 30% del totale: ne servono 50;hanno orbita circolare.

• MEO: a distanza di 4000 km tempo di latenza da 35 a 85 ms, necessari 10 ;se messi su orbite ellittiche (600 - 6000 km) possono illuminare soprattutto zone abitate nell’emisfero Nord, sfruttando la costanza della velocità areale del satellite

(orbite dette Molnya, dal primo satellite russo per diffusione televisiva).

•GEO: distanza di 36.000km , necessari 3,comportano ritardi di trasmissione notevoli 270 ms). Poco importanti se la trasmissione e’ unidirezionale, ma poco compatibili con gli attuali protocolli Internet TCP/IP che prevedono un collegamento bidirezionale per la progressivae controllata crescita del bit rate

Un esempio di Satellite GEO 1998:PANAMSAT

Banda C: 24 ripetitori 36 MHz 50W;

Banda Ku: 24 ripetitori 36 MHz 50W

Parametri progettuali

• numero di satelliti (complessivi e in ciascuna orbita)

• numero di piani orbitali (per satelliti multipli)

• inclinazione dei piani orbitali

• spaziatura relativa tra i piani

• distanza angolare tra i satelliti sulla stessa orbita

Frequenze usate nei satelliti

L'uso di una particolare frequenza di trasmissione dipende dall'applicazione di un dato sistema.

La gamma di frequenze

Banda Downlink GHz

uplink GHz

Larghezza di banda MHz

problemi

L 1,5 1,6 15 Banda stretta affollamento

S 1,9 2,2 70 Banda stretta affollamento

C 4 6 500 Interferenza terrestre

Ku 11 14 500 pioggia

Ka 20 30 3.500 Pioggia ;costi elevati

Tecniche di modulazione e multiplexing

La trasmissione satellitare sfrutta due modulazioni differenti a seconda che la trasmissione sia analogica o digitale:

le modulazioni di frequenza per le trasmissioni analogiche

le modulazioni di fase, quali la modulazione QPSK ,per le trasmissioni digitali

Tecniche di multiplazioneOgni trasponder puo’ multiplare diversi segnali numerici su varie frequenze

nella banda d’uso. Un utente che si trovi in una cella puo’ inviare al satellite un segnale utilizzando un fascio, una frequenza ed una certa percentuale del tempo totale, costituendo cosi’ un sistema a divisione di spazio, di frequenza, e di tempo.(CDMA) In questo modo il riuso ma anche la complessita’ costruttiva del satellite sono al massimo possibile.

Per ottenere questa flessibilita’ e’ infatti necessario disporre a bordo di capacita’ di trattamento dei segnali per disimpaccare e riimpaccare l’informazione tenendo conto degli indirizzi di ogni messaggio (On Board Processing). E’ ovvio che l’OBP e’ sempre piu’ impegnativo al crescere delle dimensioni del satellite (cresce con il quadrato del numero dei messaggi).

Ad oggi, la procedura piu’ diffusa e’ quella di creare un collegamento bidirezionale tra due diversi punti a terra, noleggiando un ripetitore di bordo analogico (bent pipe: tubo piegato) che e’ alimentato da un fascio e che ne alimenta un altro (o magari lo stesso) per la discesa. In questo modo vi e’ solo divisione di spazio, ma tutta la banda disponibile e tutto il tempo disponibile del ripetitore sono attribuiti ad un singolo utente, che poi puo’ rivendere o suddividere la capacita’ di trasmissione disponibile, se esuberante.

Problemi dei satelliti

• Eclissi del satellite

• Temporali

• Fasce di Van Allen

• Spazio su orbita geostazionaria disponibile

• Ritardo di trasmissione(240ms se sotto il satellite,altrimenti 270ms)

Satelliti su orbite basse

• Iridium trasmissione vocale

• Globalstar trasmissione vocale

• Teledesic servizio Internet

Iridium

E’ un sistema di satelliti per telecomunicazioni il cui nome deriva dall'elemento iridio che nella tavola periodica degli elementi è il 77. Questo perché il progetto iniziale prevedeva la messa in orbita di 77 satelliti. In realtà solo 66 sono attualmente operativi, il cui numero nella tavola periodica identifica il disprosio, che in greco significa "difficile da contattare".

I satelliti sono definiti a bassa quota (780 km dalla superficie terrestre) ed offrono, grazie anche alla commutazione diretta effettuata a bordo dei satelliti, una qualità di trasmissione simile ai cellulari terrestri, limitando il ritardo tipico dei satelliti in orbita geostazionaria .

Il sistema Iridium è l'unico servizi di telecomunicazione satellitare globale: è possibile utilizzare infatti i servizi Iridium in tutto il pianeta comprese le aree polari.

Rete Iridium• Il sistema Iridium utilizza la tradizionale rete Gsm laddove è

presente, mentre fa uso dei propri satelliti in aree non coperte da tale rete. Uno degli aspetti più avvenieristici consiste nel fatto che non appena questo tipo di cellulare viene accesso il satellite determina immediatamente la posizione e la disponibilità di reti alternative a quella satellitare.

• Perciò se non è disponibile una rete tradizionale Gsm il cellulare comunica direttamente con il satellite che trasmette la chiamata di satellite in satellite fino a raggiungere la sua destinazione, sia questa un altro telefono IRIDIUM oppure un gateway di collegamento terrestre.

• Una particolarità di questa rete è la tecnica di trasmissione: TDMA (Time Division Multiple Access)

• Tra tutte le reti satellitari presenti, il sistema Iridium è il più costoso ed il più sofisticato, principalmente per la caratteristica propria del Inter Satellite Link

Globalstar

•Transito della comunicazione a terra anziché tra satelliti come in Iridium•Solo 48 satelliti

Teledesic

Progetto originale:

288 satelliti

12 piani obitali

1350 km altezza

Rete teledesic

Progetto attuale

30 satelliti

Banda Ka

Commutazione di pacchetto tra satelliti

confrontoIridium e teledesic globalstar

Livello MacLe reti satellitari sono l’unico caso di rete Wan con Canale multiaccesso come accade nelle LAN.I metodi di accesso al mezzo possono essere classificati in :Statici

•TDM per dati e tv•FDM per voce

o dinamici•Aloha puro o a slot•Master-slave (con polling-selecting)obsoleta•SDA (Satellite Delay Unit)obsoleta•TDMA (slot assegnati a richiesta)•CDMA (Code Division Multiple Access)•SDMA (Space Division Multiple Access) mux per divisione geografica

Aloha

Legge di PoissonPn(t)=(λt)n e – λt /n ! λ =frequenza media

Ps=P0(2τ)=

(2λτ)0 e -2 λτ/0 != e -2 λτ

2τ=intervallo di vulnerabilità

τ

S=traffico utileG=λτ traffico totale dl sistema

Efficienza del protocollo

S= λsτ= λPs τ=

Ge-2G

Confronto tra l’aloha e il CSMA