collegamenti via satellite - Università degli Studi di Messina
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collegamenti via satellite - Università degli Studi di Messina
COLLEGAMENTI VIA SATELLITE Satelliti per telecomunicazioni Ø Tipologie: ü Satelliti per comunicazioni intercontinentali (Intelsat) ü Sistemi satellitari regionali (Europa, Paesi Arabi) e domestici (USA, Messico,Canada Giappone, ecc.) ü Satelliti per collegamenti marittimi (Inmarsat) ü Satelliti per applicazioni militari ü Satelliti per comunicazioni mobili Collegamenti via satellite 2 Corso "Sistemi di Telecomunicazioni" - Facoltà di Ingegneria - Università di Messina (Docente: Ing. Salvatore Serrano) 1 Classificazione dei satelliti Ø In base alla loro altezza sulla superficie terrestre: Ø In base alla loro orbita: ü LEO (low earth orbit) ü Polare ü MEO (medium earth orbit) ü Equatoriale ü GEO (geostationary earth orbit) ü Inclinata Collegamenti via satellite 3 Corso "Sistemi di Telecomunicazioni" - Facoltà di Ingegneria - Università di Messina (Docente: Ing. Salvatore Serrano) SATELLITI GEOSTAZIONARI Ø Orbita circolare di tipo equatoriale Ø Periodo orbitale pari ad un giorno siderale nominale di 24 ore Ø È in orbita equatoriale, ossia è sempre diretto sopra l’equatore (inclinazione 0°) Ø Ruota ad un’altezza di circa 36.000 km dalla terra G = 6.67 ⋅ 10−11 N ⋅ m2 Kg 2 M = 5.98 ⋅ 1024 Kg ω= r= 2π 2π rad = = 72.6 ⋅ 10−6 T 24 ⋅ 3600 sec 3 G⋅M = 42'260 km 2 ω h = r − R0 ≈ 36000km Collegamenti via satellite 4 Corso "Sistemi di Telecomunicazioni" - Facoltà di Ingegneria - Università di Messina (Docente: Ing. Salvatore Serrano) 2 Orientamento dell’ dell’antenna per satelliti su orbita equatoriale Ø Per orientare l’antenna di una stazione di terra verso un satellite è necessario conoscere S d ü l’azimut θ l angolo di puntamento orizzontale dell’antenna l è misurato in gradi dalla direzione nord ruotando in senso orario. ü l’angolo di elevazione l angolo formato tra la direzione di propagazione dell ’onda irradiata dalla stazione di terra verso il satellite e l’orizzontale S d h θ d = R + ( h + R0 ) −2 R0 ( h+ R0 )cos θ ' 2 2 0 2 ( h + R0 ) = d + R − 2 R0d cosψ 2 2 Collegamenti via satellite 2 0 ψ R0 θ’ R π θ =ψ − 2 0 5 Corso "Sistemi di Telecomunicazioni" - Facoltà di Ingegneria - Università di Messina (Docente: Ing. Salvatore Serrano) ATTENUAZIONE PER ASSORBIMENTO ATMOSFERICO Ø Più piccolo è l’angolo di elevazione, più grande è la distanza di attraversamento dell’atmosfera terrestre. Ø 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 Corso "Sistemi di Telecomunicazioni" - Facoltà di Ingegneria - Università di Messina (Docente: Ing. Salvatore Serrano) 3 COLLEGAMENTO Ø Tratta terra -> satellite (UP LINK) Ø Tratta satellite -> terra (DOWN LINK) Ø Le due portanti devono essere separate Ø Le due portanti possono essere 6/4 GHz o 14/12 GHz Ø La tratta DOWN LINK sfrutta sempre la portante a più bassa frequenza per diminuire la potenza in trasmissione a bordo del satellite ü l’attenuazione è inversamente proporzionale alla lunghezza d’onda e quindi direttamente proporzionale alla frequenza Collegamenti via satellite 7 Corso "Sistemi di Telecomunicazioni" - Facoltà di Ingegneria - Università di Messina (Docente: Ing. Salvatore Serrano) Allocazione delle frequenze per satelliti WARC (World Administrative Radio Conference Conference)) Collegamenti via satellite 8 Corso "Sistemi di Telecomunicazioni" - Facoltà di Ingegneria - Università di Messina (Docente: Ing. Salvatore Serrano) 4 CARATTERISTICHE DEI SATELLITI Ø Per mantenere la stabilità ü Movimento di rotazione attorno all’asse l Energia solare prelevata attraverso celle fotovoltaiche montate sulla superficie del satellite: scarsa efficienza l Antenne omnidirezionali l Antenne paraboliche ruotanti in direzione contraria rispetto a quella del satellite ü Sistema giroscopico l Energia solare prelevata attraverso celle fotovoltaiche montate su appositi pannelli costantemente rivolte verso il sole ü Propulsori a combustibile per mantenere l’orbita l Durata di funzionamento 7-10 anni Collegamenti via satellite 9 Corso "Sistemi di Telecomunicazioni" - Facoltà di Ingegneria - Università di Messina (Docente: Ing. Salvatore Serrano) SATELLITI INTELSAT INTELS I INTELS III INTELS IV INTELS II Collegamenti via satellite 10 Corso "Sistemi di Telecomunicazioni" - Facoltà di Ingegneria - Università di Messina (Docente: Ing. Salvatore Serrano) 5 APPARATI DI BORDO Collegamenti via satellite 11 Corso "Sistemi di Telecomunicazioni" - Facoltà di Ingegneria - Università di Messina (Docente: Ing. Salvatore Serrano) APPARATI DI TERRA Riflettore iperbolico secondario Riflettore iperbolico primario Duplexer Movimento in elevazione fd w fup Movimento in azimuth Mux (Tx) Convertitore a radiofreq 6GHz modulatore Demux (Rx) Convertitore a radiofreq 4GHz demodulatore Guida d’onda low A basso rumore Collegamenti via satellite 12 Corso "Sistemi di Telecomunicazioni" - Facoltà di Ingegneria - Università di Messina (Docente: Ing. Salvatore Serrano) 6 ACCESSO A DIVISIONE DI FREQUENZA (FDMA) Ø Ad ogni stazione di terra è assegnata una certa banda di frequenza Ø La banda di frequenza disponibile su un trasponditore viene suddivisa fra tutte le stazioni che vi accedono Ø L’allocazione di banda per una data stazione dipende dal traffico a cui è soggetta Ø L’accesso al satellite avviene in modo contemporaneo a tutte le stazioni Ø In ricezione le stazioni possono prelevare i canali da qualsiasi banda e quindi prelevare i canali ad esse diretti Ø Si ha uno spreco di banda quando una stazione non utilizza tutta la banda ad essa assegnata Ø Si può verificare l’impossibilità di trasmettere per una data stazione anche se la banda del trasponditore non è tutta occupata Ø 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 Corso "Sistemi di Telecomunicazioni" - Facoltà di Ingegneria - Università di Messina (Docente: Ing. Salvatore Serrano) ACCESSO A DIVISIONE DI FREQUENZA (FDMA) A - >B FpmA A - >D A - >C STAZIONE A (TRASMISSIONE) FpmA RICEZIONE FpmC SATELLITE FpdC FpdB FpdA FpdD STAZIONE C (RICEZIONE) FpdA FpdB FpdD FpmB FpmA FpmD EMISSIONE D ->C A - >C B ->C Collegamenti via satellite 14 Corso "Sistemi di Telecomunicazioni" - Facoltà di Ingegneria - Università di Messina (Docente: Ing. Salvatore Serrano) 7 SISTEMA SPADE Ø Tecnica di accesso FDMA Ø Trasmissione del segnale di tipo PCM Ø La banda del transponder è suddivisa in 801 sottobande ü 1 usata per la segnalazione a 128kbps ü le rimanenti 800 per 400 canali telefonici a 64kbps Ø La banda totale del transponder è di 36MHz Ø Al canale di segnalazione sono riservati 160kHz Ø Ogni portante è distanziata di 45kHz Collegamenti via satellite 15 Corso "Sistemi di Telecomunicazioni" - Facoltà di Ingegneria - Università di Messina (Docente: Ing. Salvatore Serrano) SISTEMA SPADE Ø Ø Ø Ø 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 ü individua la presenza di un canale libero ü invia la richiesta per quel canale attraverso il proprio slot sul canale di segnalazione ü la richiesta giungerà al satellite e, quindi, alle altre stazioni di terra ü la stazione con identificativo più basso che ha fatto richiesta per uno stesso canale lo ottiene, le altre devono astenersi ü il canale assegnato ad una stazione rimarrà permanentemente assegnato alla stessa finché non viene rilasciato ü ottenuto il canale, la stazione invierà la segnalazione relativa alla stazione di terra con la quale vuole collegarsi ü la comunicazione avverrà sui canali di numerazione omologa (i-i’) Collegamenti via satellite 16 Corso "Sistemi di Telecomunicazioni" - Facoltà di Ingegneria - Università di Messina (Docente: Ing. Salvatore Serrano) 8 ACCESSO A DIVISIONE DI TEMPO (TDMA) Ø Il trasponditore realizza periodicamente delle trame all’interno delle quali è riservato un diverso intervallo per ogni stazione di terra Ø Ogni trama sarà costituita da un blocco di supervisione e da un insieme di blocchi riservati alle varie stazioni ü l’assegnazione dei blocchi alle varie stazioni non è rigida ma varia con le richieste di traffico provenienti dalle stazioni stesse Ø 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 Ø Sono necessari dei buffer per memorizzare le informazioni destinate alle altre stazioni che poi verranno inviate al satellite mediante modulazione PSK m-aria Ø Ogni trama inviata dal satellite conterrà un certo numero di bit riservati al preambolo e al postambolo per permettere la sincronizzazione Ø La sincronizzazione è essenziale perché se due stazioni accedono contemporaneamente al satellite si ha la distruzione dei dati ü 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 Corso "Sistemi di Telecomunicazioni" - Facoltà di Ingegneria - Università di Messina (Docente: Ing. Salvatore Serrano) ACCESSO A DIVISIONE DI TEMPO (TDMA) Ø Per assicurare la sincronizzazione viene realizzata una supertrama costituita dall’insieme di n trame Ø All’interno di ogni supertrama ogni trama mantiene sempre la stessa struttura Ø La durata di una supertrama è di qualche secondo Ø La tecnica TDMA, superato il problema della sincronizzazione, ha vantaggi molteplici rispetto alla FDMA: ü non si hanno sprechi di banda dovuti alla presenza delle bande di guardia necessari nei sistemi FDMA ü non si hanno problemi di intermodulazione e quindi gli amplificatori possono lavorare alle massime potenze di trasmissione Collegamenti via satellite 18 Corso "Sistemi di Telecomunicazioni" - Facoltà di Ingegneria - Università di Messina (Docente: Ing. Salvatore Serrano) 9 DIMENSIONAMENTO Ø Si definisce Effective Isotropic Radiated Power, la potenza che avrebbe un radiatore se fosse isotropico EIRP = Pi ⋅ GT dove Pi è la potenza totale irradiata dall’antenna se fosse isotropica GT è il guadagno dell’antenna trasmittente Ø 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 L0 è la riduzione di potenza per evitare l’intermodulazione Lf 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) Ø Quindi ( EIRP )dBW = PT (dBW) − L0(dB) − L f (dB) + GT (dB) Collegamenti via satellite 19 Corso "Sistemi di Telecomunicazioni" - Facoltà di Ingegneria - Università di Messina (Docente: Ing. Salvatore Serrano) DIMENSIONAMENTO Ø Un altro parametro di sistema è il rapporto portante su densità di rumore C N0 definito come il rapporto fra la potenza media della portante e della sua banda associata C e la densità di potenza di rumore N0=KTe Ø Nel caso di collegamenti numerici un ulteriore parametro significativo è la Energia per bit Eb = PT ⋅ Tb dove PT è la potenza della portante in uscita al trasmettitore e T b il periodo di bit Ø Se B è la banda del segnale, la potenza disponibile di rumore sarà N = N0 ⋅ B C Eb B C Eb r C B = + = b= ⋅ N 0 ( dB) N ( dB ) rb (dB ) N N N rb Collegamenti via satellite 0 B Corso "Sistemi di Telecomunicazioni" - Facoltà di Ingegneria - Università di Messina (Docente: Ing. Salvatore Serrano) quindi 20 10 DIMENSIONAMENTO Ø Un parametro che rappresenta il fattore di merito del ricevitore è il rapporto guadagno su temperatura equivalente di rumore G Te 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 G = GR ⋅ GA dove con GR si è indicato il guadagno dell’antenna ricevente GA si è indicato il guadagno dell’amplificatore di ricezione Ø Sarà quindi Collegamenti via satellite G = (GR )( dB ) + (GA )( dB ) − (Te )(dB ) Te ( dB ) 21 Corso "Sistemi di Telecomunicazioni" - Facoltà di Ingegneria - Università di Messina (Docente: Ing. Salvatore Serrano) DIMENSIONAMENTO Ø Il rapporto portante densità di rumore sarà C Pi ⋅ GT ⋅ GR 1 = ⋅ N0 Ais0 ⋅ As K ⋅ Te dove C è la potenza media della portante e della banda associata in ricezione, data dal rapporto P ⋅ G ⋅G C= i T R Ais0 ⋅ As con Pi potenza irradiata dall’antenna se fosse isotropica GT guadagno dell’antenna di trasmissione GR guadagno dell’antenna di ricezione Ais0 attenuazione di spazio libero della tratta As attenuazione supplementare dovuta all’attraversamento dell’atmosfera Ø Si può quindi effettuare il bilanciamento energetico per la tratta in salita e in discesa Collegamenti via satellite 22 Corso "Sistemi di Telecomunicazioni" - Facoltà di Ingegneria - Università di Messina (Docente: Ing. Salvatore Serrano) 11 DIMENSIONAMENTO Ø UP-LINK C G = ( EIRP )( dBW ) − ( Ais0 )(dB ) − ( As )( dB ) + R − (K )( dBW ) 4244 3 144424443 Te ( dB ) N 0 dB 14 1424 3 della stazione della tratta in salita di terra del satellite Ø DOWN-LINK C = ( EIRP )( dBW ) − ( Ais 0 )( dB ) − ( As )(dB ) + 4244 3 144424443 N 0 ( dB) 14 del satellite in discesa GR − ( K )( dBW ) Te (dB ) 1424 3 della stazione di terra Collegamenti via satellite 23 Corso "Sistemi di Telecomunicazioni" - Facoltà di Ingegneria - Università di Messina (Docente: Ing. Salvatore Serrano) DIMENSIONAMENTO Ø Fissata la probabilità d’errore Pe e il tipo di modulazione utilizzata si può determinare il minimo rapporto Eb /N0, e quindi risalire al minimo valore di Cb /N0 utilizzando la relazione C E = b + 10 log 10 rb N0 ( dB) N0 (dB ) ed effettuare il dimensionamento per la tratta in salita e in discesa Ø A titolo esemplificativo consideriamo il seguente collegamento ü si parte all’uscita dell’amplificatore di terra con una potenza di 1.2kW (61dBm) ü attenuazione della guida d’onda 1dB (60dBm) ü guadagno dell’antenna in trasmissione altamente direttiva 61dB (EIRP = 121dBm) ü attenuazione della tratta UP-LINK 200dB (-79dBm) ü guadagno dell’antenna del satellite in ricezione 15dB (-64dBm) ü guadagno dell’amplificatore di bordo 100dB (36dBm) ü guadagno dell’antenna del satellite in trasmissione 15dB (EIRP = 51dBm) ü attenuazione della tratta DOWN-LINK 197dB (-146dBm) ü guadagno dell’antenna in ricezione 57dB (-89dBm = 1.2pW) Collegamenti via satellite 24 Corso "Sistemi di Telecomunicazioni" - Facoltà di Ingegneria - Università di Messina (Docente: Ing. Salvatore Serrano) 12 DIMENSIONAMENTO Collegamenti via satellite 25 Corso "Sistemi di Telecomunicazioni" - Facoltà di Ingegneria - Università di Messina (Docente: Ing. Salvatore Serrano) ULTERIORI TECNICHE PER I COLLEGEMANTI SATELLITARI Ø Codifica a bit rate ridotta sia dei canali telefonici che televisivi Ø Digital Speech Interpolation Ø Antenne altamente direttive Ø Apparati di commutazione a bordo del satellite Ø Collegamenti diretti fra i satelliti Ø Rigenerazione dei segnali numerici a bordo del satellite Collegamenti via satellite 26 Corso "Sistemi di Telecomunicazioni" - Facoltà di Ingegneria - Università di Messina (Docente: Ing. Salvatore Serrano) 13 RETI VSAT Ø Grazie al progresso tecnologico si possono realizzare reti con piccoli terminali periferici, chiamati VSAT (Very Small Aperture Terminal), facilmente istallabili sopra edifici civili Ø Con esse si possono collegare sedi distanti migliaia di chilometri, con prestazioni e costi competitivi con quelli delle reti terrestri ü In Europa i VSAT operano prevalentemente a 14/12 GHz ü Usano antenne con diametro compreso tra 1,2 e 2,4 m ü Le potenze dei trasmettitori sono normalmente comprese tra 1 e 5 W ü Con queste dimensioni e potenze i VSAT risultano poco costosi e facilmente installabili ü 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 Corso "Sistemi di Telecomunicazioni" - Facoltà di Ingegneria - Università di Messina (Docente: Ing. Salvatore Serrano) RETI VSAT A STELLA Ø Permettono il collegamento diretto fra ciascun terminale periferico e una stazione centrale. Ø Sono quindi adatte per realizzare reti private per grandi istituzioni (banche, ministeri, ecc.) in cui la stazione è presso la sede principale dell’azienda. Ø Il collegamento tra due terminali periferici richiede il transito attraverso la stazione centrale, con il raddoppio del ritardo di propagazione. Collegamenti via satellite 28 Corso "Sistemi di Telecomunicazioni" - Facoltà di Ingegneria - Università di Messina (Docente: Ing. Salvatore Serrano) 14 RETI VSAT A MAGLIA Ø Quando tra le sedi periferiche interessa avere collegamenti telefonici di buona qualità si ricorre alla reti a maglia. Ø Queste interconnettono direttamente qualunque coppia di VSAT senza transito attraverso la stazione centrale Ø Richiedono di contro terminali con prestazioni migliori. Ø La voce è trasmessa in forma numerica a 32, 16 o 9,6 kbit/s Collegamenti via satellite 29 Corso "Sistemi di Telecomunicazioni" - Facoltà di Ingegneria - Università di Messina (Docente: Ing. Salvatore Serrano) SISTEMI SATELLITARI PER COMUNICAZIONI PERSONALI Sistema Globalstar ICO Iridium Produttori Loran/Qualcomm ICO Global Motorola/SATcom Costo del sistema (Md di $) 2,5 4,6 4,7 Orbita LEO (1415,9 km) MEO (10378 km) LEO (780 km) Numero di satelliti 48 10 66 Frequenze salita/discesa (GHz) 1,6/2,4 2,0/2,2 1,6/ 1,6 N° canali vocali per satellite 2400 4500 1100 Tecnica di accesso CDMA/FDM TDMA/FDM TDMA/FDM Modulazione CDMA/QPSK QPSK DQPSK Potenza a RF (W) (sist.PCS) 0,5 0,625 0,45 Banda (kHz) Tx PCS 1250 25,2 31,5 Bit rate (kbit/s) Tx PCS 24 36 50 Costo/minuto per canale voc.$ 0,50 1,25 2,00 Anno inizio funzionamento 2000 2001 1998 Collegamenti via satellite 30 Corso "Sistemi di Telecomunicazioni" - Facoltà di Ingegneria - Università di Messina (Docente: Ing. Salvatore Serrano) 15 Tecnologie di accesso in competizione Ø Wired access: ü Adsl modem ü Vdsl modem ü Cable modem ü FTTH: Fiber to the Home Ø Wireless terrestre: ü LMDS: Local Multipoint Distribution Service ü UMTS: Universal Mobile Telecommunication System Ø Accesso Satellitare: ü con Return Channel Terrestre (RCT) ü con Return Channel Satellitare (RCS) l offre canali a larga banda svincolati da qualsiasi rete terrestre Collegamenti via satellite 31 Corso "Sistemi di Telecomunicazioni" - Facoltà di Ingegneria - Università di Messina (Docente: Ing. Salvatore Serrano) Nuove Bande (Ka (Ka / EHF) Ø Frequenze (U/D): ü Ka: 30/20 GHz (commerciale) ü EHF: 44/20 GHz (militare) Ø Benefici: ü ü ü ü antenne di dimensioni ridotte bassa potenza di trasmissione larga banda basse interferenze Ø Sistemi satellitari (Ka) ü Italsat, ACTS, Koreasat, ASTRA 1k, Hotbird 6, Teledesic, Astrolink Ø Sistemi satellitari (EHF) ü Militari l SICRAL, UFO, MILSTAR ü Commerciali l Teledesic, Expressway , Starlynx Ø Problematiche ü fading: controllo automatico della potenza e sistemi di codifica piu’ potenti con caratteristiche di dinamicita’ ü tecnologia non disponibile per “mass production” Collegamenti via satellite 32 Corso "Sistemi di Telecomunicazioni" - Facoltà di Ingegneria - Università di Messina (Docente: Ing. Salvatore Serrano) 16 Nuovi Terminali Satellitari: SIT / SUT Ø ETSI EN 301 359 - Satellite Interactive Terminals (SIT) ü Rx in Ku band 10,70 / 12,75 GHz ü Tx in Ka band 29,5 / 30,0 GHz Ø ETSI EN 301 358 - Satellite User Terminals (SUT) ü Rx in Ka band 19,70 / 20,02 GHz ü 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 1W II 384 kbps 90 cm 32 Mbps 3W III 2048 kbps 120 cm 32 Mbps 7W Collegamenti via satellite 33 Corso "Sistemi di Telecomunicazioni" - Facoltà di Ingegneria - Università di Messina (Docente: Ing. Salvatore Serrano) Sistemi Satellitari con OBP / ISL Ø I sistemi satellitari con On Board Processing consentiranno la fornitura su larga scala dei nuovi servizi multimediali a larga banda ed a basso costo. Ø Le funzionalita’ di processamento, multiplazione e instradamento a bordo permetteranno: ü maggiore dinamicita’ nella assegnazione delle risorse ü terminali di dimensioni ridotte Ø Il collegamento diretto tra satelliti (Inter Satellite Link) evitera’ i collegamenti in “double hop” tra terminali terrestri, minimizzandone il ritardo. Collegamenti via satellite 34 Corso "Sistemi di Telecomunicazioni" - Facoltà di Ingegneria - Università di Messina (Docente: Ing. Salvatore Serrano) 17