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
amplifica
f1
f2
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 progressiva
e 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 multiplazione
Ogni 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
confronto
Iridium e teledesic
globalstar
Livello Mac
Le 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 Poisson
Pn(t)=(λt)n e – λt /n !
λ =frequenza media
2τ=intervallo di vulnerabilità
Ps=P0(2τ)=
(2λτ)0 e -2 λτ/0 != e -2 λτ
τ
Efficienza del protocollo
S=traffico utile
S= λsτ= λPs τ=
G=λτ traffico totale dl sistema
-2G
Ge
Confronto tra l’aloha e il CSMA