sistemi via satellite

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 satellitari
Accesso 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 frequenza
Allocazione 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
Total available bandwidth
C1 = channel 1
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
S1
t
S2
S3 …. ..
Interval 1
S1 = slot 1
S2 = slot 2
etc.
S1
S3 …. ..
Interval 2
……..
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 sequence
CDMA
Al segnale di informazione del generico utente CDMA viene
applicato un codice univoco, detto codice di spreading :
1
Rb =
Tb
1
Rc =
Tc
N=
(Tc << Tb )
Tb
Tc
In ricezione, per demodulare l’informazione del generico utente CDMA
si usa lo stesso codice di spreading adottato in trasmissione.
DS/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 radiomobile
Una 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.