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una probabilità di raggiungimento POL leggermente inferiore a 10'. Naturalmente il guadagno in probabilità produce a sua volta un guadagno in margine di potenza che può essere derivato dalla distribuzione di attenuazione e che diventa via via maggiore con la frequenza. Il fatto che con la diversità d sito possiamo ottenere un probabilità globale di raggiungimento minore di 10' usando due stazioni con una probabilità di raggiungimento WL leggermente inferiore a IO'ha come conseguenza che possiamo nuovamente raggiungere (vedi Tabella 4) le condizioni di non essere penalizzati da un incremento in frequenza, patto che si mantenga ostante la dimensioni dell'antenna, come nel caso C) di tabella 2. Un ulteriore metodo per guadagnare in probabilità è la diversità di freq~enzaj.~. Riguardo a metodi di guadagno in margine di potenza, possono essere ricordati 2 esempi: odapiive codi~ig, nel quale viene introdotto un'aumentata protezione error-correciiong-code (a spese della banda di frequenza) nella direzione soggetta a intense piogge; controllo di potenza, per la distribuzione della potenza a bordo lungo le varie direzioni in base alle necessità che emergono dall'attenuazione da pioggia. I1 guadagno in potenza che può essere raggiunto con tali procedure ha un limite indipendente dalla frequenza, per esempio intorno ai 10 dB. Ciò può esser adeguato a frequenze relativamente basse, ma perde di interesse molto rapidamente all'aumentare della frequenza. Per comunicazioni user-orieriied, può essere accettabile una probabilità di raggiungimento di poche unità nell'ordine di grandezza di 110'. Al contrario, per sistemi di intemmessione e connessione con stazioni di gatmlay di sistemi mobili (feedm) (vedi Tabella l), sono necessari valori intorno ai 10' o alle poche unità nell'ordine di grandezza dei 10'. La località alla quale si è fatto riferimento finora (Genova in Tabella 4) appartiene alle regioni mondiale definite come regioni L dalla ITUIR (International Telecommunications Union/Radiocommunications). Questa regione e regioni che mostrano condizioni migliori coprono gran parte del mondo, con eccezione delle regioni N (che includono la Florida , i Caraibi, la costa Atlantica del Brasile, la penisola indiana, la penisola indocinese, parte delllAfrica equatoriale, Hong Kong eccetera) e delle regioni P (che includono località con eccezionali precipitazioni come I'hazzonia, parte dell'AFrica equatoriale, il Borneo, Ceylon eccetera). Per le regioni N la probabilità riportata in Tabella 4 rimane minore o uguale a IO3, mentre per le regioni P diventano maggiori di IO2 per hquenze di 20 GHz o maggiori. Orbite Dopo 25 anni di operazioni di grande successo con satelliti di comunicazione GEO, negli ultimi 5 anni sono stati realizzati satelliti in orbite più basse. Vengono ora discussi alcuni vantaggi che provengono dall'abbassare l'orbita. Qualsiasi sia l'approccio adottato in tabella 1, il rapporto di potenza nello spazio libero risulta essere inversamente proporzionale a 12 ove 1 è la distanza tra il satellite e il terminale di terra (figura 8). Questa distanza, quando q non è troppo piccolo, è maggiore rispetto all'altitudine h del satellite dalla terra e il rapporto 1M/h (con IM il massimo valcre di I) aumenta con il diminuire del minimo angolo di elevazione gmin e, per un dato angolo di elevazione, viene diminuita l'altitudine h7 (Figura 8). Inoltre, se tutti i fasci sono identici, la forma e la dimensione delle impronte cambia a passaggio dalle cellule centrali alle cellule periferiche; reciprocamente, per ottenere cellule identiche, è necessaria un'opportuna o m e intensità dei fasci. Dalla figura 8 è possibile derivare il guadagno in potenza trasmessa (sia dal satellite che a terra) che si può ottenere rispetto al comspondente valore in sistemi GEO. Questo guadagno è di pariice lare rilevanza quando la stazione di terra è costretta ad avere un'antenna molto ridotta e una potenza molto bassa di trasmissione; ancora di più quando, per evitare problemi di puntamento, l'antenna di terra deve essere omnidizionale, che è il caso di sistemi mobili e personali che usano terminali palmari (caso a2 o caso b in Tabella I). La citata riduzione di attenuazie ne di path è solo uno dei vantaggi che possono essere ottenuti abbassando l'orbita (vedi Tabella 5): un altro vantaggio importante è infatti la riduzione del ritardo di propagazione che nei LE0 raggiunge valori tipici di connessioni terrestri: bisogna comunque fare attenzie ne quando si introducono soiirce coders con elevaii rapporti di compressione di ampiezza di banda, perché introducono notevoli ritardi di per sé stessi. La riduzione del ritardo è importante non solo per le comunicazioni vocali ma anche per i dati, perché i protocolli sviluppati per la trasmissione dati non possono essere usati nei sistemi GEO, in particolare quei protocolli di correzione dell'errore che richiedono la rilevazione dell'errore e la ritrasmissione dei blocchi con mre. Tabella 5 Vantaed della riduzione dell'altitudine di orbita riduzione dell'attenuazione di path riduzione del ritardo di propagazione possibilità di incrementare l'angolo di elevazione possibilità di realizzare un reale sistema globale Un altro vantaggio elencato in Tabella 5 è la possibilità di operare con elevati angoli di elevazione, che facilitano il superamento di ostacoli come palazzi, alberi eccetera. Questo aspetto diventa via via pii rilevante, man mano che la Frequenza di trasmissione viene incrementata; si ricordi anche che a frequenze oltre i 10 GHz, l'attenuazione da pioggia decresce al diminuire dell'angolo di elevazione. In questo contesto si consideri che la copertura assicurata dai siitemi GEO sarebbe molto ridotta se fosse richiesto un elevato angolo di elevazione (Figura 9): la figura mostra ad esempio che un angolo di elevazione minimo gmin=lf restringerebbe la coperiura a latitudini di i65", mentre per un gmin=4O0 la coperiura sarebbe limitata a meno dei i45", escludendo dunque iutte le principali capitali europee. Allo stesso tempo, sarebbe richiesto un numero maggiore di satelliti. Con sistemi non GEO, è possibile ottenere facilmente un elevato angolo di elevazione, a patto che venga impiegato un maggiore numero di satelliti. (Figuralo). A questi vantaggi si oppongono tuttavia i seguenti svantaggi : * non appena il satellite si muove lungo I'orbita rispetto alla terra, l'altitudine decresce sempre più, vedi ad esempio I'ascissa in Figura 8, richiedendo pmdure di switch e handover da un satellite al seguente il numero di satelliti richiesto aumenta al decrescere dell'altitudine (vedi Figura IO), * mentre, usando satelliti GEO che sono fissi rispetto Fiira 8 Rapporto Ilh come funzione du h. L'altitudine di orbita può essere ridotta fina all'incirca 500 Km. ci06 di un valore sufficientemente elevato per evirare interferenze atmosferiche. È importante tuttavia. stare al di fuori della cintura di Van Allen (figura 10, m) ( che può danneggiare componenti elettronici e celle solari. Come conseguenza. sono disponibile due range di altitudine: 500 e 2000 Km che definiscono le orbite basse terrestri (Low-altitute Earch Orbitis. LEOs). Fiira 9 Angular haltidth of the swath width. ciob latitudini nord e sud che limitano la fascia raggiunta da sistemi GEO in funzione del numero di satelliti. Figura 10 Numero minimo di satelliti nel sistema in funzione dell'altitudine. alla terra, è possibile distribuire la capaciti di traffico dei satelliti, in funzione delle necessità delle varie patti della regione servita, i satelliti LE0 tendono a dishibuire evenly la loro capaciti di comunicazione sulla Terra, senza tenere conto che 2/3 della superficie terrestre b coperta da oceani. Secondo quanto esposto, i satelliti LE0 hanno come caratteristica positiva la capaciià di allestire un sistema globale vero, ma aUo stesso tempo necessitano di un accurato sistema di progetto per evitare un eccessivo spreco di capacità di comunicazione in regioni con modesto flusso di traffico e di sorgenti. Un concetto basilare appare essere che la loro capaciià di comunicazione deve essere scelta per essere ade-
guata al massimo fabbisogno di regioni sostanzialmente non servite da altri mezzi, e di fornire una funzione complementare piuttosto che competitiva in regioni ad alto sviluppo. I satelliti ME0 sono, sotto questo punto di vista, in una posizione intermedia perché, viaggiando lungo l'orbita, possono puntare la loro antenna verso le regioni di interesse; questa è la soluzione adottata per Odissey (vedi Tabella 1). Considerazioni sui dimensionamento di poteoza Riferendosi nuovamente alla Tabella 1, due casi richiedono particolare attenzione: il caso personalmobile, in cui sono usati i terminali terrestri palmari con antenne omnidiizionali e limitata potenza di trasmissione (0.5 W); il caso personal-f~ed, in cui piccoli terminali terrestri usano un'antenna direzionale e una limitata potenza trasmessa, con una libertà di scelta rispetto al caso precedente. 7.1 ~e&nal-mobile L'equazione a2 di Tabella I si applica, con Gs=l e PT fisso. Per una data capacità di comunicazione a una determinata densità di rumore del ricevitore, anche Pr è fisso, così che è fissato il rapporto ASn2 indipendentemente dalla frequenza1'. Per esempio, per tra- Figura I I Direzionare i fasci per mantenere le cellule fisse a terra smissioni vocali a 4.8 kbitls, ASn2 è dell'ordine di 1.6 104, cosa che implica DA=2 10-7, con D il diametro dell'antenna a bordo. Considerando la Figura 9, per un elevazione dell'angolo di 15", D deve essere 8 metri nel caso di satelliti GEO e 0.4 metri nel caso di sistemi LE0 a 800 Km di altezza. Per un angolo di elevazione di 40'71 valore di D diventa rispettivamente 7.6 e 0.22 metri. Da notare è che per elevati angoli di elevazione, le dimensioni delle cellule a terra tendono rimanere le stesse per ogni altitudine. Chiaramente, variano proporzionalmente con I, al variare della frequenza. I valori riportati delle dimensioni delle antenne satellitari,, corrispondono ad operazioni senza alcun margine rispetto alla propagazione nello spazio libero; se si introduce questo margine, l'antenna di un sistema GEO, può facilmente raggiungere i 15-30 metri di diametro. In effetti, i margini di potw sono necessari per supemre ostacoli, in particolare quando l'angolo di elevazione è piccolo; in sistemi satellitari mobili, può essere dificile adottare margini di potenza così elevati da assicurare le operazioni in ogni località del terminale: in questo caso, è richiesto un atteggiamento di cooperazione da parte dell'utente , nel senso che l'utente, quando si trova in una localith con difficoltà di propagazione, si deve muovere per cercare una posizione più favorevole. La situazione per i siitemi Geo diviene ancor più critica quando la potenzi ricewta deve essere incrementata per incrementare la capacità di comunicazione 7.2 Peisonal-fixd o mobili cooperativi Si applica l'equazione C) in tabella 1. Un piccola antenna di terra, diciamo 25x25 centimetri possiede un'apertura equivalentecirca 10 volte superiore dell'a pertura 1214p di un'antenna omnidirezionale a 1.5 GHz. Un terminale grande quanto una valigia, possibilmente con più potenza dei terminali palmari, può fornire comunicazione vocale anche con un sistema GEO senza necessità di una antenna a bordo troppo ampia. L'interesse a muoversi verso bande di frequenza più elevate, 20-30 GHz o 40-50 GHz, continua ad essere un aspetto importante, come detto precedentemente, a patto che siano assicurate condizione di diretta visibilità. Un confronto con quanto detto poc'anzi mostra chiaramente che nel caso di terminali palmari, sarebbe importante abbandonare il vicolo cieco in cui ci stiamo avventurando adottando antenne omnidirezionali : è necessario condurre ricerche sul possibile impiego di almeno una direzionaliili paaiale. Problemi di commutazione e relative soluzioni in sistemi non-GEO Un satellite non GEO, può essere usato in certe lwliti fmtanto che si trova nel rniige consentito di angoli di elevazione. Quando esce da questo range, è necessario commutare su un nuovo satellite. Questo è chiamato commutazie ne a livello di copertura. Sistemi multifascio, comunque possono richiedere un maggior numero di commutazioni. infatti, nel caso che fasci multipli siano fissi al satellite, questi formano un insieme di cellule che scivola sopra la terra; la commutazone di un terminale deve essere eseguita ogni volta che questo lascia una cellula ed entra nella successiva. Questo processo può essere denominato commutazione a livello di cellula. In questo caso l'intervallo di commutazione è proporzionale al rapporto tra la dimensione della cellula e la velocità del satellite: concordemente, la situazione tende a diventare più critica con il decrescere della dimensione della cellula (questo succede in particolare quando vengono impiegate frequenze più elevate) e con il crescere della velocità del satellite, cioè viene decrementata l'altitudine, per esempio passando da sistemi ME0 a sistemi LEO. La commutazione a livello di cellula può essere resa meno critica, utilizzando, invece di cellule circolari, celle allungate nella direzione dei moto (Globalstar) o può essere del tutto evitata mantenendo le cellule fisse rispetto alla Terra mentre il satellite si muove intorno all'arco di copertura: questo può essere ottenuto (Figura I I) usando fasci sieering. Teledesic presenta infatti un soluzione sofisticata in cui i fasci sono pilotati per m m di una matrice fasata (Figura 11). Ho menzionato precedentemente che in un sistema personal-mobile deve essere introdotto un margine di potenza per superare ostacoli lungo la traiettaria, specialmente nel caso di bassi angoli di ele vazione. in effetti è possibile alleviare questo proble- ma nel caso in cui più di un satellite siano siiultaneamente a disposizione e, atiraverso un'opportuna con mutazione, sia scelto il più favorevole ad ogni istante (diversità di satellite). Conclusioni Sono stati esaminati molteplici aspetti riguardanti l'impiego di nuove orbite e di nuove bande di ikquenza in sistemi avanzati di comunicazione satellitare. Parìicolare enfasi è stata data agli aspetti di radio engineering e di conseguenza non sono stati considerati molti altri problemi, particolarmente a livello di siste ma, come i metodi per l'accesso e il roirting, l'integrazione con la rete terrestre eccetera. Con riferimento agli aspetti tecnologici, appare chiaro che lo sviluppo di matrici di antenne attive sia un aspetto cruciale per sistemi efficienti che utilizzino nuove orbite e nuove bande di frequenza. In conclusione, è importante rilevare che , mentre le comunicazioni satellitari hanno cominciato a soddisfare il sogno di una comunicazione globale con soluzioni che hanno permesso di connettere stati e nazioni, I'impiego di tecnologie moderne consentirà di soddisfare il sogno$ una interconnessione globale a livello di individuo. E altresì evidente che sarebbe molto utile aver sistemi geostazionari LEO; questa è la ragione per cui ci sono proposte per I'impiego, anziché di satelliti, di piattaforme ad altitudini di decine di chilometri, alimentati e stabilizzati da terra attraverso fasci di onde millmetriche. Bibliografia I. A.C. Clarke, "Extraterrestrial relays", Wireless World, Oct. 1945, p. 305. 2. Alta frequenca, "Special Issue on the Sirio Programme in the tenth Year of Satellite Life", Alta Frequenca, LVI, 1-2,1987. 3. F. Carassa, "New satellite Systems and Higher Frequency Utilisation", Alta Frequenca, LVI, 1-2, 1987. 4. F. Carassa "Application of Millimeter Waves to Satellite Systems", Alta Frequenca, LVIII, 5-6, 1989, p. 405. 5. F. Carassa "Technical Aspects in the fuhue development of satellite communications systems with particular reference to the use of frequencies above 10 GHz." 19th Convegno Internazionale Scientifico sullo Spazio, Roma, 1979. 6. F. Carassa, "Adaptive Methods to Counteract Rh Attenuation Effects in the 20-30 GHz Band", Space Communication adn Broadcasting, 2,3,1984, p.253.
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