Comunicazioni via Satellite
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Comunicazioni via Satellite
Tratto da wikipedia… Il famoso scrittore di fantascienza Arthur C. Clarke (autore di 2001: Odissea nello spazio) viene notoriamente indicato come l'ideatore dei sistemi satellitari cosiddetti geostazionari; infatti, nel 1945 Clarke scrisse che un satellite in orbita equatoriale circolare con un raggio di circa 42424 km (dal centro della Terra) avrebbe una velocità angolare esattamente pari a quella del pianeta, rimanendo quindi relativamente immobile nel cielo rispetto al suolo e divenendo così un possibile ponte radio tra due punti dell'emisfero visibili dal satellite. Inoltre, tre satelliti spaziati di 120° potrebbero (con qualche sovrapposizione) coprire l'intera circonferenza del pianeta; in questo caso i messaggi potrebbero essere anche scambiati tra i satelliti, o attraverso un doppio hop a terra, rendendo possibile una comunicazione diretta tra due punti qualsiasi del globo.
Tratto da wikipedia… L'idea di Clarke è incredibilmente innovativa se si pensa che il lancio dello Sputnik da parte dell'Unione Sovietica avvenne solo nel 1957; in quel caso inoltre si disponeva di una tecnologia missilistica sufficiente solamente per portare il satellite in un'orbita bassa. Non si riuscirà a raggiungere un'orbita sincrona prima del 1963. Le comunicazioni satellitari vere e proprie partono a metà degli anni 60
Satelliti… • Geostazionari: sono a 36000 Km di quota in orbita equatoriale • LEO (low Earth Orbit): sono ad orbite inferiori a quelle geostazionarie e hanno periodi di rotazione intorno alla terra a partire da qualche ora e a crescere… • I satelliti LEO sono usati per – Sistemi di positioning (GPS, GLONASS, GALILEO) – Sistemi cellulari satellitari (Globalstar, iridium,…)
Sistemi di positioning Intersecando tre circonferenze con centri noti con la superficie terrestre si riesce a ricostruire la propria posizione sulla superficie terrestre
Satelliti geostazionari
• Servono per
– Comunicazioni telefoniche intercontinentali (quasi
soppiantati dalle fibre ottiche)
– Comunicazioni in zone rurali e nel terzo mondo
– Invio punto-punto di segnali televisivi
– Broadcasting di audio e video (SKY TV!!)
– Telefonia mobile (applicazione in disuso…)Vita di un satellite • Dura intorno ai 7 – 10 anni • Limitata da – Deterioramento celle solari – Esaurimento del carburante per correzioni orbitali – Rottura degli apparati di telecomunicazioni • A fine ciclo i satelliti vengono spostati in un’orbita di parcheggio… … in realtà lo spazio sopra le nostre teste è alquanto affollato!!
Il path loss
• Consideriamo una frequenza di 10GHz
• Allora la lunghezza d’onda è 3cm=0.03metri
• Assumendo d=36000Km=36.000.000 metri
• Allora l’attenuazione è
L=2.27 * 1020
Trattasi della maggiore difficoltà tecnica delle comunicazioni
via satellite: il rapporto SNR è estremamente basso a causa
delle forti attenuazioni legate alla distanza che il segnale deve percorrere;
Particolarmente critica è la tratta in discesa a causa delle limitazione in potenza
degli apparati satellitariAccesso Multiplo al Satellite • Il satellite è usato anche per connessioni multipunto-multipunto • Si usano tecniche di accesso multiplo a divisione di tempo (TDMA)
Sistemi in fibra ottica
• La fibra ottica è un filamento di materiale
vetroso o polimerico, realizzato in modo da
poter condurre la luce.
• Caratteristica importante di una fibra è la
– Larghezza di banda praticamente infinita (nel
senso che non siamo capaci di sfruttarla tutta)
– Basse attenuazioni del segnale (frazioni di
dB/Km)Attenuazione delle fibre
Sistemi ottici • La fibra è immune alle interferenze elettromagnetiche • Particolarmente usata nei collegamenti a lunga distanza perché possono realizzarsi lunghe tratte senza bisogno di ripetitori. • Il modulatore è un convertitore elettro-ottico (laser o diodo led) • Il demodulatore è un convertitore optoelettronico (diodo pin)
TECNICHE DI ACCESSO MULTIPLO
Celle Radio
Fondamenti
• Ci chiediamo ora come accomodare più utenti per
l’utilizzo di una risorsa condivisa.
• Per fornire l’accesso multiplo vi sono tre dimensioni
fondamentali da utilizzare
– spazio
– tempo
– frequenza
• Le tecniche per realizzare la condivisione del canale
radio sono dette tecniche di accesso multiplo.
• Cominciamo a considerare l’accesso a divisione di tempo
e frequenzaAllocazione di Tempo e Frequenza
• Le allocazioni spaziali sono per lo più predeterminate da
decisioni predeterminate sulla localizzazione delle stazioni
radio base.
• Il tempo e la frequenza possono essere invece allocati più
facilmente.
• Per queste risorse ci sono tre diverse tecniche:
– Frequency-division multiple access (FDMA)
– Time-division multiple access (TDMA)
– Code-division multiple access (CDMA)FDMA
• Lo spettro radio disponibile è diviso in canali di
banda prefissata, che sono poi assegnati ai vari
utenti.
• Se a un utente è dato un certo canale, nessun altro
utente può usarlo
f, frequency
C2
C1 C3
C1 = channel 1
Total available bandwidth C2 = channel 2
etc.Esempio di FDMA - AMPS
Advanced Mobile Phone Service (AMPS) -
U.S. Analog Cellular:
• Sono disponibili 50 MHz di banda totale
• 869 - 894 MHz per il “forward” (base to mobile) link
• 824 - 849 MHz per il “reverse” (mobile to base) link
• Questi sono divisi in canali da 30KHz (voce FM).
• Solo un sottoinsieme dei canali disponibili sono usati
in ogni cella..TDMA
• Il tempo è diviso in intervalli di ampiezza regolare e poi
ogni intervallo è diviso in slot.
• A ciascun utente è assegnato uno slot, e può trasmettere su
tutta la banda all’interno del suo slot temporale.
• Ogni utente trasmette quindi in maniera discontinua
S2 S2 t
S1 S3 …. .. S1 S3 …. ..
……..
Interval 1 Interval 2
S1 = slot 1
S2 = slot 2
etc.Esempio di TDMA • Global System for Mobile (GSM) Canali di 200 KHz Ogni canale viene condiviso tra 8 utenti L’intervallo è pari a 4.615ms Ogni slot dura 0.577ms
CDMA •Nell’FDMA gli utenti sono divisi in canali frequenziali diversi, che possono usare solo per il tempo di durata della chiamata. •Nel TDMA gli utenti sono divisi in time slot distinti, da usare ancora esclusivamente per la sola durata della chiamata. •Nel CDMA, invece, gli utenti attivi possono usare tutta la banda a disposizione per tutto il tempo disponibile. • Gli utenti sono contraddistinti da un codice, che è unico per ciascun utente.
CDMA
• Il ricevitore conosce il codice di ciascun utente, e sulla
base di tale conoscenza riesce a separare I segnali di
informazione dei vari utenti.
• Vi sono due tipi fondamentali di CDMA:
• frequency hopping
• direct sequenceCDMA
Al segnale di informazione del generico utente CDMA viene
applicato un codice univoco, detto codice di spreading :
1
Rb =
Tb
1
Rc =
Tc (TcDS/CDMA
• DS/CDMA ha molteplici vantaggi:
– robustezza alle degradazioni introdotte dal canale
radiomobile
– miglior protezione della privacy
– flessibilità nell’assegnazione degli utenti
– riuso delle frequenze in celle adiacenti
– può essere messo in bande parzialmente utilizzate
da altri servizi.DS/CDMA - Examples
• US CDMA Cellular (IS-95):
– frequency band same as AMPS
– source: digital voice at 9.6 kbps
– modulation DQPSK (downlink)
– spreading gain 128 chips/bit
– chip rate is 1.2288 Mchips/second (Mcps)
• 3rd Generation (3G) Cellular: Wideband CDMA (W-CDMA)
– source: digital voice or multimedia (rates range
from 9.6kbps to 2Mbps)
– variable spreading gain
– chip rates up to 5Mcps
• Wireless LANs (IEEE 802.11b, 802.11g)xDMA Summary
Architettura di base di una
rete radiomobileUna generica rete radiomobile
Celle Radio
Location Area
Accesso Multiplo • Modalità di duplexing: – FDD – TDD • Modalità di accesso multiplo – FDMA – TDMA (GSM e IS-54) – CDMA (IS-95, UMTS)
Accesso Multiplo
Handover • L’handover è quella procedura che prevede il passaggio della gestione di una chiamata attiva da una stazione radio base a un’altra. L’handover avviene quando, durante una chiamata attiva, l’utente mobile si muove e abbandona la sua cella radio iniziale.
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