Dimensionamento dei Sistemi UMTS Satellitari

Tuttavia nell’UMTS , cioè nell’UMTS definito nel caso terrestre oppure 
T-UMTS (Terrestrial-UMTS), si è dovuto affrontare apertamente i 
problemi della copertura delle aree scarsamente popolate o a 
bassissima densità di popolazione per un vero roaming globale o per 
un efficiente fornitura di diversi servizi integrati 
(voce,dati,internet,ecc..); in questo ordine di idee,il satellite è apparso 
uno strumento fondamentale per risolvere  tali problemi. 
        In questo modo, per la prima volta, il satellite è stato considerato 
come parte integrante dell’intera rete di comunicazione cellulare. Da 
allora, l’integrazione del satellite all’interno dell’UMTS ha condotto alla 
definizione di un’efficace, già flessibile RTT (Radio Transmission 
Technique) o tecnica di trasmissione radio perfettamente adattata 
all’ambiente mobile satellitare.  
       A questo punto è stato opportuno, con l’aiuto dell’ESA (European 
Space Agency)stabilire uno standard S-UMTS tenendo conto del 
precedente sistema T-UMTS. 
       Lo scopo dello studio di questa tesi è dimensionare un sistema 
UMTS satellitare in termini di calcolo della probabilità "di non 
copertura" ( probabilità di fuori servizio) o outage probability e della sua 
capacità o il numero di utenti attivi che può gestire una cella nell’ambito 
del satellite. 
      Il capitolo 1 è dedicato alla descrizione generale dei sistemi di 
comunicazione satellitare. 
      Il capitolo 2 spiega le caratteristiche dei sistemi UMTS satellitari. 
      Nel capitolo 3 , si studia proprio , il dimensionamento in termini di 
criteri di progetto di una rete UMTS satellitare tenendo conto di tutti gli 
effetti che influenzano questi criteri. 
      Il capitolo 4 presenterà i risultati dei criteri sviluppati nel capitolo 3 
nel caso di due modelli di canale , cioè il canale AWGN e il canale di 
LUTZ. 
   
 
 
 
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CAPITOLO 1 
 
SISTEMI DI COMUNICAZIONE 
SATELLITARI  
 
  
 
 
 
 
 
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 1.1  ELEMENTI  BASE DI UN SISTEMA 
SATELLITARE 
 
     I sistemi di comunicazione satellitari hanno un’architettura che può 
essere suddivisa in tre segmenti: 
• Segmento Spaziale. 
• Segmento Terrestre 
• Segmento di utente 
 
 
 
        1.1.1 SEGMENTO SPAZIALE 
     
    Il segmento spaziale comprende i satelliti ( con tutti i loro 
equipaggiamenti di bordo) e le strumentazioni atte al collocamento , 
mantenimento e ricollocamento in orbita degli stessi. Queste ultime 
includono funzioni di telemetria , inseguimento e controllo ( TT& C-
telemetry tracking control) che svolgono i seguenti compiti: 
• Ricevono segnali di controllo della Terra; 
• Trasmettono i risultati di misure e informazioni riguardanti il 
satellite; 
• Effettuano misure della distanza Terra-satellite in modo da 
permettere la locazione dello stesso.  
Il satellite è formato da un carico utile o payload , costituito dalle 
antenne di ricezione e trasmissione e da tutti gli apparati elettronici che 
supportano la trasmissione, e da una piattaforma costituita invece da 
tutti quei sottosistemi che consentono al carico di lavorare: rifornimento 
di potenza elettrica,controllo di temperatura,controllo di 
orbita,equipaggiamenti di propulsione e TT & C. In Italia la Nuova 
Telespazio S.p.A. è un importante e qualificato fornitore di tali servizi 
tramite propri impianti. 
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       1.1.2  SEGMENTO TERRESTRE 
 
Il segmento terrestre è costituito dalle stazioni di terra , le quali al loro 
interno possiedono: le antenne, gli amplificatori radiofrequenza, i 
modulatori e demodulatori, i convertitori di frequenza, i controllori per 
l’accesso multiplo, i codificatori per la correzione d’errore e 
apparecchiature in banda base. A questi componenti si aggiungono i 
collegamenti fra le stazioni stesse e i vari tipi di utente. 
Il segmento di terra svolge differenti funzioni, quali: 
- Controllo e gestione satelliti in orbita(Centri di controllo) 
- Telemetria e Comandi al satellite(Stazioni TT & C) 
- Controllo e gestione della rete(Centri e stazioni relative) 
- Gestione del traffico(Stazioni di traffico) 
A volte alcune delle suddette funzioni possono essere svolte nella 
stessa stazione terrestre. 
I gestori del segmento spaziale (ad es. i Consorzi satellitari Eutelsat, 
Intelsat ed Inmarsat) sono responsabili delle prime tre funzioni ed in 
genere provvedono alla realizzazione degli impianti di terra necessari. I 
gestori di telecomunicazioni nei vari paesi, sono invece responsabili 
delle stazioni di traffico che assolvono la funzione di interfaccia tra la 
rete di terra ed il segmento spaziale. 
Le stazioni di terra relative alle reti satellitari possono essere 
caratterizzate come segue: 
    
• Stazione centrale di gestione e controllo dei satelliti 
• Stazione centrale di gestione del traffico e controllo della rete 
• Stazione periferica di rete per il traffico 
 
     1.1.3 SEGMENTO D’UTENTE
 
Il segmento d’utente è per le sole applicazioni satellitari nelle quali le 
stazioni di traffico sono associate direttamente con l’utente finale ad 
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esempio i terminali per servizi mobili aeronautici, marittimi, terrestri, le 
piccole stazioni riceventi TV , dati , servizi affari ecc… 
 
1.2  VANTAGGI E SVANTAGGI DEI SISTEMI DI 
COMUNICAZIONE SATELLITARI 
       
    1.2.1 VANTAGGI DEI SISTEMI DI COMUNICAZIONE 
SATELLITARI 
  
 
    Il successo dei satelliti , nell’ambito delle telecomunicazioni, è dovuta 
ai seguenti  motivi: 
        
       1.Non presentano problemi di distanza: il costo per 
mandare un messaggio via satellite è lo stesso anche per 
distanze tra stazioni terrestri molto diverse. 
 
      2. Sono dispositivi a larga banda: sono disponibili decine di 
MHz per canale e  ciascun canale può essere usato da due o 
più stazioni nell’area coperta dal satellite. 
 
       3.Il satellite potenzialmente può coprire aree molto vaste 
del globo terrestre: circa 42% della superficie terrestre è vista 
da un’antenna di un satellite geostazionario anche se le 
restrizioni imposte dall’ITU (International Telecommunication 
Union) limitano la copertura ad una regione più piccola. 
 
       4.I satelliti non sono condizionati dal tipo di ambiente: città, 
deserti, oceani, zone montuose ecc. Cosi nazioni dal territorio 
diversificato, possono sfruttare i satelliti per unificare i servizi 
nazionali. 
  
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      5.Il costo di un servizio punto-multipunto non dipende dal 
numero di stazioni riceventi. 
     
  1.2.2  SVANTAGGI DEI SISTEMI DI COMUNICAZIONE 
SATELLITARI
    
   Le comunicazioni satellitari presentano costi elevati e l’accesso al 
satellite è limitato ad utenti autorizzati: 
 
      1.Dato che il satellite ed il suo transponder hanno un 
elevato valore economico, generalmente c’è un costo per il loro 
utilizzo; 
 
      2.Per poter ottenere l’accesso devono essere contattate le 
organizzazioni proprietarie del satellite; alcuni di questi sonno 
utilizzabili 24 ore al giorno, altri invece sono disponibili solo in 
particolari orari. 
 
 
 
1.2.3 SERVIZI E APPLICAZIONI DEI SISTEMI DI 
COMUNICAZIONE SATELLITARI 
 
   
       1.2.3.1 APPLICAZIONI (O MERCATI) OFFERTI DAI SISTEMI DI 
COMUNICAZIONE SATELLITARI 
 
 
I seguenti segmenti di mercati si deducono dalle caratteristiche dei 
sistemi satellitari mobili: 
    
    
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• Comunicazioni personali per viaggiatori professionali 
(reporters,ecc..) e uomini d’affari.Queste persone dovranno 
superare il problema di standard terrestri incompatibili per 
sistemi cellulari (GSM,AMPS,IS95,ecc.) 
 
 
• Comunicazioni essenziali nei paesi sotto sviluppati nelle 
aree in cui non c’è accesso alla rete telefonica.In[1],secondo le 
stime dell’ITU,nel 2003, 60% della popolazione mondiale non 
sarà in grado ancora di effettuare una chiamata telefonica o di 
usare un fax 
 
• Servizi radiomobili nelle aree  che non sono coperte dai 
sistemi mobili terrestri (estensione geografica). 
 
• Gestione della flotta per trasporti stradali:  
  -scambio di dati 
  -controllo della merce imbarcata nelle navi 
  -antifurto 
  -chiamate di emergenza. 
• Sopporto per le forze di sicurezza e le Autorità 
      1.2.3.2 SERVIZI OFFERTI DAI SISTEMI DI COMUNICAZIONE 
SATELLITARI 
 
• L’idea principale delle comunicazioni personali è la 
possibilità per un abbonato mobile di instaurare o ricevere una 
chiamata in ogni luogo ed in ogni ora,usando il terminale 
mobile proprio (trasportabile a mano); il quale terminale mobile 
è piccolo e leggero , minuto di antenna omnidirezionale ed è a 
bassa potenza trasmissiva. In questo contesto, le reti di 
comunicazioni personali nel satellite forniscono una gamma di 
servizi con qualità accettabile  e prezzi contenuti: 
               -telefonia mobile,tipicamente con bit rates di 4.8 kb/s 
 -fax 
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 -comunicazioni di dati mobili in tempo reale con bit rates di 2.4     
oppure 4.8 kb/s 
 -comunicazioni di dati "store-and-forward" (e-mail,voice-
mail,controllo e misura di dati ,immagini immobili,ecc.)  
                               -paging/messaging  
 -determinazione della posizione (esempio:centro di spedizione 
per la gestione della flotta) e servizi giornalistici ( reporters ) 
 
• I sistemi satellitari a banda larga forniranno un ampia gamma 
di servizi,quali: 
            -videotelefonia e videoconferenza 
            -accesso ad Internet ad alta velocità e servizi  on-line ad alta   
velocità 
            -commercio elettronico 
            -telemedicina 
            -insegnamento a distanza ed apprendimento 
            -direct-to-home video 
           -applicazioni condivise 
 
 
 
1.3  CARATERISTICHE DEI SATELLITI E DELLE 
LORO ANTENNE " A BORDO" 
 
 
 
      1.3.1 CARATTERISTICHE DEI SATELLITI 
 
 Un payload è implementato per servire un cluster cellulare in modo 
che questo ultimo sia associato ai m fasci di illuminazione di antenna 
per la trasmissione nella direzione di collegamento col terminale 
dell’utente  
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 Entrambe le architetture di satelliti “trasparente” e “rigeneratore” sono 
adeguate , purché stabiliscano un uso efficiente della potenza  
generata “ a bordo”  
 
•   Per il satellite rigeneratore, i segnali in banda base, con cui 
è stata modulata la portante  dell’up-link (o tratta in salita ossia 
tratta dagli utenti mobili al satellite) , sono disponibili all’uscita 
del demodulatore per essere memorizzati e processati ( 
correzione d’errore, conversione della chip rate, scanning 
dell’area nei satelliti multifascio). Questi poi “modulano” la 
portante del down-link(o tratta in discesa ossia tratta  dal 
satellite agli utenti mobili) . Inoltre[5], il satellite rigenerativo ha 
bisogno dei demodulatori a portanti multipli  che penalizzano in 
termini di consumo di potenza,di peso, di dimensioni fisiche e di 
complessità.Questi svantaggi sono compensati dai vantaggi tali 
che un migliore risultato nei rapporti Segnale/Interferenza  e 
Segnale/Rumore rispettivamente   
I
C
 e 
N
C
 
• Per il satellite con semplice ripetitore(o a "tubo piegato"), il 
payload è costituito quindi da un’antenna ricevente, un 
amplificatore di potenza, HPA (High Power Amplifier) , un 
amplificatore a basso rumore (LNA Low-Noise Amplifier), un 
convertitore di frequenza in discesa, e un’antenna trasmittente. 
Inoltre il satellite "trasparente" è basato sull’uso di un 
amplificatore a porte multipli (MultiPorts Amplifier). 
Questi due tipi di satelliti, ripetitore e rigenerativo, devono possedere 
antenne attive in modo che non ci siano i le degradazioni sul valore 
dell’EIRP( Equivalent Isotropic Radiated Power) dovute alle perdite 
indotte dalla formazione dei beams(fasci d’illuminazione). 
     
1.3.2 CARATTERISTICHE DI ANTENNE
 
• Le antenne sono realizzate in modo che la medesima 
antenna è usata sia per trasmettere che per ricevere. 
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