Trasmissione satellitare

Utilizzo dei satelliti per TLC I satelliti sono ottimi sistemi per diffusione video e/o radio; inoltre, servono zone dove non arrivano ne’ fibra ottica ne’ radiomobile: poco popolate, suburbane, in via di sviluppo. Sono di rapida installazione e di immediato inizio di funzionamento. Sui satelliti per TLC sono montate una o piu’ antenne che hanno un fascio di radiazione che illumina una “cella” a terra detta FOV (Field of View). Sappiamo che l’area del FOV e’ direttamente proporzionale al quadrato della lunghezza d’onda l utilizzata e della distanza R del satellite da terra e inversamente proporzionale all’area At dell’antenna di bordo. Dunque, per avere FOV piccoli, utili per un efficace riuso delle stesse frequenze per servire piu’ utenti, e’ necessario avere antenne grandi. Tuttavia, per avere grande copertura, e’ necessario che le antenne possano generare fasci multipli che con i loro FOV ricoprano di celle separate vaste aree (p.e. un intero continente).

Satelliti LEO, MEO o GEO (Low, Medium, Geo - synchronous Earth Orbits) (distanza dalla terra = 400, 4000, 40000 km) LEO: sono vicini, comportano poco ritardo, ma la terra emersa e’ solo il 30% del totale: ne servono tanti, con modesto duty cycle. MEO: se messi su orbite ellittiche (600 - 6000 km), illuminano soprattutto zone abitate nell’emisfero Nord, sfruttando la costanza della velocita’ areale del satellite. GEO: possono essere puntati con precisione, ma sono lontani; comportano ritardi di trasmissione poco compatibili con gli attuali protocolli Internet TCP/IP; il “push - forward” e’ possibile.

Le frequenze utilizzate Frequenze: L -S : 1.6 - 3; C: 5; Ku: 10 - 12; Ka: 18 - 30 GHz Al crescere della frequenza: le dimensioni fisiche dell’antenna decrescono a pari FOV, e c’ e’ piu’ disponibilita’ di spettro, ma pioggia e nuvole attenuano di piu’. La flessibilita’ numerica (fasci d’antenna, bit rates) permette di illuminare dove e quanto serve, pur non superando potenze di picco preassegnate. Per accesso diretto al mobile e’ piu’ facile operare in bande S e L che a frequenze maggiori: fenomeni di poca visibilita’ e diffrazioni impedirebbero spesso il collegamento. Per le altissime frequenze, e’ meglio avere un’antenna fissa e collegarvisi p.e. mediante Bluetooth. Quindi sistemi trasportabili piuttosto che mobili. Un indubbio vantaggio nell’utilizzare frequenze alte e’ la possibilita’ di up-link (trasmettere da terra al satellite) con antenne piccole (dato il più alto guadagno a ottenibile a pari area)

Satelliti GEO di prossima generazione

Garuda

Covering 20 countries and over 3 billion people La copertura di ACeS (Garuda) Covering 20 countries and over 3 billion people

Copertura di Garuda 2

Thuraya: antenna da 12 m, celle solari per piu’ di 11 Kw

HS 702 XM Rock& Roll

Il futuro vicino: Ericsson/MMS: Proposta per Satellite per S - UMTS 5-17 kW power; 7-10m antenna 160 fasci Ø  200 Km banda S 16 fasci regionali Ka; OBP; 10-20 fasci mobili

Coperture per Sistema Regionale Mobile Multi-spot beam coverage S-Band Gateway coverage Ka Band

Il link budget (1) Il calcolo della potenza da trasmettere nel collegamento dal satellite verso terra (down-link) o, viceversa da terra al satellite (up-link) viene generalmente indicato con il termine link-budget. Analizziamo ora tutti parametri coinvolti nel calcolo del link-budget nel caso di trasmissione numerica. Si parte dai requisiti di Eb/No (in funzione della costellazione usata e della probabilita’ di errore desiderata) che sono un dato del problema e che indicheremo come (Eb/No )d Si ricordi che Eb e’ l’energia necessaria per trasmettere 1 bit e che No e’ la densita’ spettrale di potenza del rumore termico. Quest’ultima dipende dalla temperatura fisica assoluta (espressa in gradi Kelvin = gradi centigradi + 273) degli oggetti compresi nel FOV dell’antenna tramite la costante di Boltzman che vale k=1.38x10-23. Nel calcolo del link budget si usa, poi, una temperatura piu’ alta di quella fisica per tener conto di altre sorgenti di rumore. La temperatura di rumore T e’ un dato del problema e:

Il link budget (2) La relazione tra energia per bit e potenza Ps del segnale passa attraverso la cadenza di bit che si vuole trasmettere. La potenza del segnale e’ infatti l’energia per bit divisa per la “durata” del segnale necessario a trasmettere il bit. La cadenza di bit V esprime il numero di bit al secondo che si vogliono trasmettere e dunque 1/V e’ proprio la “durata” del segnale necessario a trasmettere il bit. Da qui la relazione: Se dunque si vuole garantire un certo rapporto (Eb/No )d e’ necessario disporre di una potenza di segnale al ricevitore pari a:

Il link budget (3) Il legame tra potenza trasmessa Pt e ricevuta Pr puo’ essere espresso indifferentemente dalle seguenti uguaglianze dove At e Ar indicano l’area delle antenne di trasmissione e ricezione e Gt e Gr indicano il loro guadagno: Dalla prima possiamo scrivere che: Infine, sfruttando la relazione che da la potenza al ricevitore in funzione del bit-rate, della densita’ spettrale di potenza del rumore e di (Eb/No )d possiamo scrivere che:

Esempio di link budget (1) Prendiamo l’esempio di un canale televisivo digitale trasmesso via satellite. Il valore desiderato (Eb/No )d = 7dB, (cioe’ 10log10 (Eb/No )d = 7 e quindi (Eb/No )d = 5 ) Il bit-rate vale circa 60Mbit/sec. L’area dell’antenna di bordo circa 3.5m2 L’area dell’antenna di terra circa 0.3m2 (la classica parabolina di 60cm di diametro). La temperatura equivalente di rumore T=1000 Kelvin Il satellite e’ geostazionario e quindi in orbita equatoriale con distanza di circa 36000km. La distanza dal ricevitore alle nostre latitudini diventa circa R=38000km. La frequenza di trasmissione e’ circa 10GHz