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Telecomunicazioni satellitari
                                     

ⓘ Telecomunicazioni satellitari

La telecomunicazioni satellitari sono una forma di telecomunicazioni wireless a radiofrequenza per la comunicazione a distanza di informazione attraverso collegamenti radio satellitari fra stazioni ricetrasmittenti a terra e satelliti artificiali in orbita sotto forma di ponti radio satellitari, radiodiffusioni, telediffusioni, reti di telecomunicazioni e sistemi di radiolocalizzazione e navigazione. Esse trovano oggi ampia applicazione nel campo delle telecomunicazioni, nella navigazione marittima, aerea e terrestre, nel telerilevamento e in campo militare.

Questi sistemi, resi possibili dalla nascita e dallo sviluppo delle tecnologie di lancio vedi razzo a partire dalla seconda metà del XX secolo, rappresentano spesso lunica soluzione applicabile in mancanza di infrastrutture terrestri o di difficile dislocazione e dal costo complessivo inferiore rispetto alla realizzazione di sistemi di comunicazione terrestri equivalenti.

                                     

1. Storia

Lo scrittore Arthur C. Clarke co-sceneggiatore del film di Stanley Kubrick 2001: Odissea nello spazio viene notoriamente indicato come lideatore dei sistemi satellitari cosiddetti geostazionari; infatti, in un articolo scientifico del 1945 intitolato Extra-Terrestrial Relays, Clarke scrisse che un satellite artificiale 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 dellemisfero visibili dal satellite. Inoltre, tre satelliti spaziati di 120° potrebbero con qualche sovrapposizione coprire lintera circonferenza del pianeta; in questo caso i messaggi potrebbero essere anche scambiati tra i satelliti inter-satellite link, o attraverso un doppio hop a terra, rendendo possibile una comunicazione diretta tra due qualsiasi punti del globo.

Lidea di Clarke è incredibilmente innovativa se si pensa che il lancio dello Sputnik da parte dellUnione Sovietica avvenne solo nel 1957; in quel caso inoltre si disponeva di una tecnologia missilistica sufficiente solamente per portare il satellite in unorbita bassa. Così fu per i primi satelliti per le telecomunicazioni, che furono: il Project SCORE 1958, lECHO 1 1960, il Courier 1B 1960 e il Telstar 1962. Non si riuscirà a raggiungere unorbita sincrona prima del 1963.

La serie Syncom fu il primo sistema di comunicazione satellitare geostazionario ed iniziò nel 1963, poco meno di 20 anni dopo la concezione dellidea da parte di Clarke. Syncom I fallì nella fase di lancio, ma Syncom II e III vennero messi in orbita con successo il 26 luglio 1963 e il 19 luglio 1964 rispettivamente con lo sforzo della NASA e del Dipartimento della Difesa.

Il primo satellite geostazionario commerciale fu Intelsat I, sviluppato da Comsat per Intelsat 1965-1969. Dato che i satelliti in orbita geostazionaria non sono adatti per i siti posti nelle regioni polari, nel 1965 lUnione Sovietica lanciò in orbita il primo dei satelliti Molniya, posti in unorbita ellittica particolare; inizialmente questi satelliti furono usati per le comunicazioni militari e in seguito anche per trasmissioni televisive. Le prime comunicazioni regolari tra Stati Uniti ed Europa iniziarono il 28 giugno 1965, data di nascita delle comunicazioni satellitari commerciali. Nel 1979 venne fondato il sistema di comunicazioni INMARSAT, destinato alle comunicazioni marittime.

Tramite i satelliti verrà gestita lintera difesa militare secondo quanto previsti dai protocolli di Internet 2, che per questi usi hanno dovuto risolvere ai problemi di robustezza e sicurezza del TCP attuale. Tramite il mezzo satellitare già passano criptate gran parte delle transazioni commerciali statunitensi.

                                     

2.1. Descrizione Vantaggi e svantaggi

Reti satellitari possono essere dunque sistemi di radiocomunicazione a supporto delle reti terrestri sotto forma di integrazione nei servizi di copertura es. ponti radio intercontinentali oppure ridondanza trasmissiva nella rete di trasporto utile in caso di necessità ad esempio in conseguenza ad eventi quali disastri naturali che possono occorrere sulla superficie terrestre minandone le rispettive infrastrutture terrestri di comunicazioni.

Negli anni novanta, luso commerciale e il futuro militare dei satelliti hanno portato gli esperti di telecomunicazioni a sopravvalutarne le potenzialità e a ritenerlo il mezzo del futuro a discapito della fibra ottica. Negli anni 90, invece, è stata posta nel mondo una quantità di fibra ottica pari a 10 000 volte il diametro della Terra, mentre il satellite è stato rilasciato a TV satellitari minori e a costi di connessione scesi verticalmente.

Nellultimo decennio si è pensato di utilizzare il satellite come servizio a banda larga. Bisogna però tenere conto del fatto che i satelliti geostazionari introducono almeno 250 ms di latenza nella comunicazione. I satelliti INTELSAT già avevano una latenza per il traffico voce a 4 kHz molto alta, per cui si preferirono i molto più costosi cavi sottomarini come collegamento per le chiamate intercontinentali.

La quantità di banda del servizio Internet via satellite può essere maggiore di una connessione ADSL, ma ha un costo più elevato; data la latenza non trascurabile, può essere importante utilizzare la giusta tecnologia a seconda delle necessità. Con il termine "ADSL satellitare" sono spesso state identificate differenti tecnologie che poco hanno in comune tra loro. Paragonando la connessione via cavo a quella via satellite, per comunicazioni punto-punto point to point è tipicamente più conveniente il primo. Ci sono eccezioni che dipendono dal numero dei punti da connettere e dalla tipologia di traffico richiesto.

Il satellite rimane però imbattibile in tutte le applicazioni di tipo broadcast, cioè tutte quelle applicazioni per le quali occorre inviare gli stessi dati a molti ricevitori, molto più rispetto al broadcast dei sistemi terrestri radiodiffusione e telediffusione terrestre. La sua scalabilità, rispetto alla rete terrestre, è semplicemente non paragonabile. Sia che si tratti di inviare lo stesso flusso audio/video es. per applicazioni di formazione a distanza in tempo reale lo stesso file a un gran numero di stazioni riceventi, il satellite è in grado, a costi praticamente indipendenti dal numero di postazioni, di servire tutti i destinatari con la stessa qualità. Questo enorme vantaggio è anche dovuto alla pratica assenza del cosiddetto peering multicast nelle reti terrestri. Se le reti terrestri si scambiassero il traffico multicast, in effetti, la scalabilità di soluzioni terrestri aumenterebbe notevolmente. Al momento però, i fornitori preferiscono tenere il multicast confinato allinterno delle loro reti, con la speranza di ottenerne un vantaggio competitivo legato alla diffusione di contenuti esclusivi es. eventi sportivi o spettacoli.

                                     

2.2. Descrizione Tipologie di sistemi

I sistemi satellitari possono essere categorizzati secondo il tipo di orbita e laltitudine sulla quale vengono collocati:

  • GEO - Geostationary Earth Orbit
  • MEO - Medium Earth Orbit
  • LEO - Low Earth Orbit
  • Orbita Molniya

Definita una di queste tipologie, restano ancora da specificare alcuni parametri progettuali della costellazione quali:

  • inclinazione dei piani orbitali
  • distanza angolare tra i satelliti sulla stessa orbita
  • spaziatura relativa tra i piani
  • numero di satelliti complessivi e in ciascuna orbita
  • numero di piani orbitali

In generale tanto più si scende di quota di orbita tanto più diminuisce lefficienza di copertura del satellite ed aumenta quindi il numero di satelliti necessari per coprire con i loro fasci dantenna il territorio da servire per via anche del moto del satellite, tanto più diminuisce la potenza trasmissiva necessaria che si traduce in pannelli solari più piccoli ed il costo singolo di lancio in virtù della minor quota e peso, tanto più diminuiscono i tempi di ritardo o latenza dovuti alla propagazione elettromagnetica del segnale e viceversa.

Linsieme di più satelliti artificiali adibiti ad un certo scopo dà vita a una costellazione di satelliti o sistema satellitare. Esempi di sistemi satellitari per le telecomunicazioni sono Iridium, Globalstar, Teledesic, Hot Bird mentre tra i maggiori fornitori satellitari vanno menzionati Intelsat, Eutelsat e Inmarsat.



                                     

3. Fondamenti di teoria della trasmissione

Dal 1947 i satelliti totali in orbita considerando anche quelli rimasti o divenuti inutilizzati superano i 25 000. Sul satellite sono installati molti sistemi, alcuni dei quali servono al funzionamento del satellite stesso. Questi sistemi sono controllati dalla Terra attraverso un canale della banda trasmessa. Il resto di questultima è per lo più destinato al carico utile, "payload", ossia il traffico di dati richiesto che rende necessario lutilizzo di questo "link".

  • Il satellite è anche equipaggiato con una o più antenne
  • unità di ricevitori e trasmettitori che prendono il nome di transponder che telecomunicano con la superficie terrestre e/o le stazioni di controllo/smistamento a terra.
  • calcolatori elettronici nel caso in cui il satellite disponga di un sistema di elaborazione dati a bordo on-board processing

I segnali trasmessi sono modulati su una portante da e verso il satellite. In generale le tipologie di sistemi satellitari per telecomunicazioni si differenziano tra loro nelle loro caratteristiche tecniche in base allapplicazione o destinazione duso.

                                     

3.1. Fondamenti di teoria della trasmissione Frequenze

Luso di una particolare frequenza di trasmissione dipende dallapplicazione di un dato sistema. La gamma di frequenze si estende dalla banda P alla banda Ka e oltre:

  • banda C 4–8 GHz
  • banda Ka 26.5–40 GHz
  • banda Ku 12–18 GHz
  • banda L 1–2 GHz
  • banda P 0.2–1 GHz

Come regola, si può pensare che più alta è la frequenza e più estesa deve essere la banda su cui si trasmette e la capacità del collegamento. Inoltre, più la frequenza è alta e più alta sarà lattenuazione indotta dallatmosfera e il rumore che si sommerà al segnale. Tuttavia usare frequenze alte fornisce il vantaggio di avere guadagni di antenna più elevati che permettono di ridurre le dimensioni della antenne stesse, sebbene questo renda il puntamento più difficile per via della maggiore direzionalità del fascio trasmissivo.

                                     

3.2. Fondamenti di teoria della trasmissione Antenne

Tutti i sistemi satellitari in quanto sistemi di radiocomunicazione sono dotati di antenne nellinterfaccia radio per la trasduzione/irradiazione dei segnali elettrici informativi sotto forma di segnali elettromagnetici per essere trasmessi sul canale radio e presenti sia sui satelliti in orbita per servire la tratta in downlink sia sulle stazioni al suolo per servire le rispettive tratte in downlink e uplink da e verso il satellite. Tipicamente tali antenne sono antenne direttive dovendo esse puntare il suolo terrestre dal satellite solo per determinate aree di interesse con area più o meno estesa e variabile in funzione dellapplicazione o servizio desiderato. Lintersezione del fascio dantenna di irradiazione e la superficie terrestre determina unarea comunemente detta footprint. Le stazioni al suolo tipicamente usano antenne paraboliche puntate sul satellite di interesse, mentre le antenne sui satelliti possono essere antenne a tromba particolari, phased array, patch antenna ecc.



                                     

3.3. Fondamenti di teoria della trasmissione Copertura multifascio

Spesso molti sistemi satellitari adottano una copertura spaziale a multifascio di antenna multibeam ovvero presentano più antenne direttive trasmissive con rispettivi fasci ciascuno dedicato alla copertura di porzioni di superficie terrestre implementando il riuso di frequenza come per i sistemi cellulari terrestri e aumentando così lefficienza spettrale del sistema a vantaggio del numero di utenti servibili contrastando al contempo anche linterferenza tra fasci tramite tipiche coperture a cluster. In tal modo si riesce anche ad evitare di coprire inutilmente porzioni di territorio, come ad esempio la superficie oceanica, non destinate ad usufruire di certi tipi di servizi satellitari ed allo stesso tempo avere fasci a maggiore direttività e quindi con minor potenza in emissione a parità di potenza ricevuta.

                                     

3.4. Fondamenti di teoria della trasmissione Tecniche di modulazione e multiplexing

La trasmissione satellitare sfrutta due modulazioni differenti a seconda che la trasmissione sia analogica o digitale: le trasmissioni analogiche adottano modulazioni di frequenza FM mentre quelle digitali adottano modulazioni di fase quali la modulazione QPSK.

Per quanto riguarda la multiplazione in downlink e laccesso multiplo in uplink sono diffusi meccanismi di tipo TDM/TDMA nella banda di servizio assegnata.

                                     

3.5. Fondamenti di teoria della trasmissione Bilancio di radiocollegamento

Ovviamente a causa della grande distanza tra satellite e stazione radiobase a terra o i semplici utenti e quindi della forte attenuazione subita dal segnale nel percorso terra-satellite e viceversa la potenza in trasmissione sarà necessariamente molto elevata e soggetta ad adeguato dimensionamento tramite il bilancio di radiocollegamento.

                                     

3.6. Fondamenti di teoria della trasmissione Disturbi di propagazione

Come ogni altra forma di radiocomunicazione una trasmissione satellitare può essere disturbata da eventi atmosferici quali precipitazioni sul canale radio: tale disturbo aumenta con la frequenza della portante e può portare allaumento di BER fino allindisponibilità di servizio in caso di trasmissioni particolarmente critiche alta frequenza. A causa delle frequenze radio più elevate utilizzate e alle loro caratteristiche di propagazione, le trasmissioni satellitari soffrono molto di più di queste problematiche rispetto ai sistemi di radiodiffusione, telediffusione terrestri e dei sistemi radiomobili cellulari. Al suolo costituiscono disturbi di radiopropagazione satellitari la presenza di montagne o edifici alti grattacieli i quali provocano ombreggiamento shadowing cioè ostruzione sul segnale lungo la sua linea di vista.

                                     

3.7. Fondamenti di teoria della trasmissione Collegamenti intersatellitari

Alcuni sistemi satellitari possiedono anche la capacità di mettere in comunicazione tra loro i vari satelliti in orbita di una stessa costellazione con collegamenti inter-satellitari inter-satellite link con finalità di ridondanza trasmissiva e tolleranza/robustezza ad eventuali guasti/malfunzionamenti garantendo così maggiori disponibilità di servizio.

                                     

3.8. Fondamenti di teoria della trasmissione Stazioni al suolo

Tutti i sistemi satellitari devono essere in qualche modo interfacciati e interallacciati con stazioni al suolo per la ricezione di dati in upload dalla superficie terrestre e la ritrasmissione in download verso gli utenti sulla superficie terrestre. In generale le stazioni al suolo possono essere stazioni ricetrasmittenti o più semplicemente stazioni riceventi. In ogni caso esse sono contraddistinte da antenne direttive quali le antenne paraboliche puntate direttamente sul satellite, inseguendolo il più possibile lungo la sua orbita e capaci di sintonizzarsi eventualmente su satelliti diversi di una stessa costellazione al passaggio di questi nel proprio raggio di copertura grazie a procedure di handover satellitare nel caso di satelliti in orbita non geostazionaria.

In particolare in upload, cioè invio dei dati al satellite prima della loro ritrasmissione sulla superficie terrestre, sono spesso necessarie stazioni satellitari a suolo complesse ovvero dei veri e propri centri dedicati di trasmissione e controllo dei satelliti oppure postazioni fisse/mobili satellitari dedicate. In download, se lapplicazione è destinata a servire un utente qualsiasi, come nel caso della radio, TV, e Internet satellitare, le stazioni riceventi al suolo coincidono con le postazioni di ricezione dellutente finale domestiche o private detti generalmente sistemi VSAT Very Small Aperture Terminal fanno eccezione i telefoni satellitari che hanno semplici antenne filari omnidirezionali connesse in primis a sistemi wireless terrestri oppure ripiegate opportunamente verso il satellite. I satelliti per telerilevamento invece inviano direttamente i dati rilevati ai centri di ricezione ed elaborazione dedicati a terra.

Le stazioni a terra possono essere a loro volta interallacciate a reti di telecomunicazioni terrestri quali ad esempio reti cellulari di telefonia mobile per supplirne eventuali buchi di copertura oppure interalacciate direttamente a reti di trasporto cablate. Uno dei più grandi e importanti centri al mondo per le telecomunicazioni satellitari è il centro di Telespazio nel Fucino: in tali centri si ha controllo/gestione dei satelliti in orbita e gestione dellaspetto trasmissivo/ricettivo radio in funzione delle specifiche di qualità del servizio offerto.



                                     

3.9. Fondamenti di teoria della trasmissione Architettura protocollare

Trattandosi a tutti gli effetti di una rete di telecomunicazione il complesso di funzionalità logiche è organizzato in una tipica architettura di rete a strati ovvero con uno stack protocollare ispirato allo standard ISO/OSI a partire dal livello fisico fino al livello applicativo includendo funzionalità di accesso multiplo livello 2, internetworking livello 3, trasporto controllo di trasmissione livello 4 e sicurezza livello 6.

                                     

4. Servizi/applicazioni delle reti satellitari

I principali servizi e applicazioni offerte da una rete satellitare di telecomunicazioni sono:

  • Fonia Telefonia satellitare
  • Servizi di radiolocalizzazione e navigazione aerea, navale e terrestre es. GPS
  • Dati DVB-S ovvero TV satellitare, radio satellitare e Internet satellitare
                                     

4.1. Servizi/applicazioni delle reti satellitari Prestazioni e costi

Le prestazioni delle trasmissioni satellitari, e quindi anche la qualità di servizio offerta agli utenti per i suddetti servizi in termini di banda, cioè dunque velocità di trasmissione almeno per ciò che riguarda i servizi di fonia e trasferimento dati, possono essere anche superiori, ma la banda totale, come accade anche per le reti cellulari, viene poi frazionata tra varie utenze e la velocità effettiva cala notevolmente. Assolutamente negativi e indesiderati sono invece i tempi di latenza notevolmente maggiori con ripercussioni su TCP. Anche i costi imponibili allutente risultano superiori se paragonati ai servizi offerti da reti cablate su territori attualmente coperti. Ovviamente vale quanto detto precedentemente cioè i costi sarebbero comunque in linea di massima inferiori se paragonati a quelli offerti da eventuali ed equivalenti infrastrutture terrestri dislocate in territori disagevoli o scarsamente abitati.

                                     

4.2. Servizi/applicazioni delle reti satellitari Internet satellitare mono e bidirezionale

Nel 2001 sono nate le prime connessioni satellitari bidirezionali, totalmente indipendenti dalla linea telefonica su doppino che in quelle monodirezionali serve per lupload. Il satellite aveva una banda complessiva di 2 GHz da frazionare fra le varie utenze, oggi con i vari sistemi multiplex ed antenne a spostamento assiale, si riesce a raggiungere coperture e bande più ampie. Ciò aumenta spazio per nuove e molteplici connessioni con utenze distribuite nel territorio coperto dal satellite. Bande Ka e Ku sono da riempire con segnali digitali usufruibili da questo tipo di sistema per la trasmissione dati e la navigazione internet.

Il numero di satelliti che possono insistere e geostazionare sopra unarea della Terra era limitato e non incrementabile. Ad oggi non possiamo più affermare che la banda satellitare sia una risorsa scarsa, infatti, con le nuove tecniche di trasmissione digitali le relative tecniche di compressione dei dati si sono aperte nuove frontiere a questo tipo di trasmissione al punto da far sorgere progetti che prevedono il passaggio di grandi quantità di dati attraverso la tecnologia digitale satellitare. A questo tipo di servizio non vengono più attribuite tariffe elevate rispetto ad un collegamento televisivo via satellite e ciò ne incentiva un utilizzo laddove necessario, in zone non raggiunte da segnale ADSL o per postazioni internet nomadi.

Il satellite bidirezionale offre banda maggiore a minor costo: non richiede una tariffa ISDN in quanto non utilizza il doppino la linea telefonica normale e fornisce fino a 2 064 kbit in download 10 240 kbit entro il 2010 con il nuovo satellite e 512 kbit in upload questo li rende ormai utilizzabili come una qualsiasi rete ADSL con il vantaggio di unaffidabilità e continuità di servizio maggiori.

Il satellite bidirezionale ha una latenza di almeno 450 ms ; un canale aveva 45 megabit di banda ora multiplexato e compresso raggiunge bande maggiori nellordine di 4 volte e costava 200 000 dollari lanno. Una banda di 2 megabit, che costava attorno ai 600 euro al mese, costa ora intorno ai 100 euro al mese.

Magellano internet satellitare si aggiunge a Telecom Italia e Netsystem che non sono più allo stato dei fatti gli unici operatori in questo segmento di mercato, a loro si affianca dal 2008 Eutelsat con un sistema satellitare bidirezionale dedicato che non necessita di alcuna connessione terrestre quale linea telefonica o simili, quindi molto meno dispendioso dei sistemi fino ad ora proposti dalla concorrenza. È disponibile lo starter Kit che offre velocità di download a 10 Mbit/s e in upload di 4 Mbit/s

Telecom Italia, Netsystem e da qualche anno propongono parabola e modem con una connessione satellitare venduta soltanto al taglio di banda di 640 kbit/s in download e 256 in upload a 39 euro flat mensili oppure a consumo con 15 euro di canone mensile, scatto alla risposta e tariffa al minuto di due centesimi di euro, il doppio di una connessione analogica. Lupload a 256 kbit è per le utenze business con partita IVA che possono attivare fino a un massimo di 2 ISDN. Per le utenze domestiche è 128 kbit/s, potendo attivare una sola linea ISDN. A tale cifra è da sommare il costo della linea ISDN che è appunto necessaria per lupload.