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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
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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
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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
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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
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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))
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Corso "Sistemi di Telecomunicazioni" - Facoltà di Ingegneria - Università di Messina (Docente: Ing. Salvatore Serrano)
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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
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SATELLITI INTELSAT
INTELS I
INTELS III
INTELS IV
INTELS II
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APPARATI DI BORDO
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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
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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
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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
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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
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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’)
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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
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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
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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)
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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
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quindi
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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 )
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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
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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
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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)
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DIMENSIONAMENTO
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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
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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
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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.
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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
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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
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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
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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”
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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
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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.
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Fly UP