Telecomunicazioni, satelliti per
Telecomunicazioni, satelliti per
SOMMARIO: 1. Il satellite per telecomunicazioni geostazionario. 2. Caratteristiche del satellite per telecomunicazioni. 3. Evoluzione tecnica dei sistemi di comunicazione mediante satelliti. 4. Frequenze superiori a 10 GHz. 5. Collegamenti con mezzi mobili. 6. Piattaforme spaziali e collegamenti intersatelliti. Bibliografia.
1. Il satellite per telecomunicazioni geostazionario
I satelliti per telecomunicazioni rappresentano, finora, l'applicazione commerciale dello spazio di maggiore rilievo. Salvo rarissime eccezioni, sono stati usati per questo scopo satelliti geostazionari, perché offrono i seguenti vantaggi: a) tre soli satelliti sono sufficienti per coprire l'intera superficie terrestre (escluse le calotte polari); b) il sistema di telecomunicazioni nel suo complesso (satelliti e stazioni terrestri) ha configurazione fissa, il che semplifica notevolmente il modo di operare e rende assai meglio controllabili le interferenze, consentendo in questo modo l'installazione nello spazio di grandi capacità di comunicazione.
Un inconveniente del satellite geostazionario è il lungo tragitto (terra-spazio-terra) che i segnali debbono compiere, che comporta un ritardo di 0,25 s fra emissione e ricezione. In telefonia questo ritardo, anche se percettibile, non ha effetti apprezzabili sulla speditezza della conversazione; quello che viceversa è inaccettabile è il ritardo con cui giunge a chi parla l'eco della propria voce, eco che inevitabilmente si forma nelle attuali reti di telecomunicazioni nel passaggio dalla comunicazione ‛a quattro fili', propria della rete a grande distanza, alla comunicazione ‛a due fili' della rete locale. L'eco giunge evidentemente con un ritardo di 0,5 secondi e, in queste condizioni, se si dice ‟pronto" si sente ripetere ‟pronto". L'inconveniente è stato superato con il ‛soppressore d'eco', che è un dispositivo un po' brutale poiché, quando uno degli interlocutori parla, viene interrotta o fortemente attenuata la linea di ritorno. Evidentemente si stabilisce una situazione difficile quando l'altro utente tenta di interloquire. Più recentemente è stato sviluppato il ‛cancellatore d'eco', basato su un principio molto più razionale: si genera localmente un'eco eguale e contraria e la si somma al segnale di ritorno, così che l'eco scompare o comunque viene fortemente attenuata. Questo dispositivo, ovviamente molto più complesso del soppressore d'eco, è oggi agevolmente realizzabile con le moderne tecnologie elettroniche, al punto da essere totalmente contenuto in una singola piastrina integrata.
2. Caratteristiche del satellite per telecomunicazioni.
Le caratteristiche che contraddistinguono il satellite per telecomunicazioni e lo rendono interessante per molte applicazioni pratiche sono: 1) la visibilità, dal satellite, di tutti i punti della regione coperta dall'antenna di bordo, che permette di servire con la stessa facilità regioni e città ad alto sviluppo e zone disperse o di difficile accesso; 2) la possibilità di collegare simultaneamente mediante il satellite numerose stazioni a terra, costituendo così una rete di telecomunicazioni che si può mettere in opera in tempi brevi, anticipando anche nuovi servizi e/o nuove metodologie applicative; 3) la flessibilità nella crescita del sistema, poiché volendo collegare una nuova località basta costruirvi una stazione di terra; 4) la flessibilità nella distribuzione della capacità comunicativa totale del satellite fra le varie stazioni a terra, che consente di far fronte a richieste non permanenti, come quelle dovute alla concentrazione di persone nelle zone di villeggiatura durante le vacanze, o a situazioni di emergenza dovute a disastri naturali o a guasti della rete terrestre; 5) la possibilità di effettuare collegamenti con mezzi mobili (navi, aerei, autoveicoli) o con stazioni trasportabili.
Fra le caratteristiche elencate, le prime tre sono state determinanti, insieme con la convenienza economica, per lo sviluppo della rete dell'Intelsat, il Consorzio Internazionale per le Telecomunicazioni mediante Satellite. L'Intelsat è stato fondato nel 1964 da 16 paesi, oggi saliti a 109; attualmente dispone di 15 satelliti attivi in orbita, mentre le stazioni terrestri operanti nel sistema sono oltre 800, fra grandi e piccole. Per dare un'idea dell'evoluzione avvenuta, si può ricordare che il satellite Intelsat I, che ha inaugurato nel 1965 la serie dei satelliti commerciali, aveva una massa, in orbita, di 38 kg e una capacità di 240 circuiti telefonici; l'Intelsat VI ha una massa, in orbita, di 2.200 kg e una capacità di oltre 40.000 circuiti telefonici. Il costo annuo del segmento spaziale per canale telefonico è passato da 32.000 dollari nel 1965 a 4.700 oggi.
Le capacità di comunicazione sopra riferite sono state espresse in termini di circuiti telefonici (ciascuno dei quali è costituito da un canale di andata e da un canale di ritorno), ma il satellite può essere usato anche per tutti gli altri servizi ‛interattivi', che comportano la trasmissione di voce, di dati, di testi, di grafici, di immagini fisse e mobili. Può essere anche usato per la trasmissione di segnali ‛diffusivi', in particolare televisivi, per quanto la trasmissione di questi segnali in tempo reale interessi solo saltuariamente sui percorsi intercontinentali, date le grandi differenze di fuso orario.
Diversa è la situazione quando si passi dagli ambiti intercontinentali a quelli continentali o addirittura nazionali, verso cui si vanno estendendo le applicazioni dei satelliti, in relazione all'evoluzione tecnica e alla conseguente riduzione dei costi cui si è accennato.
La capacità di comunicazione necessaria per un canale televisivo realizzato secondo la norma attuale è all'incirca equivalente a quella dii .000 canali telefonici; ciò spiega le difficoltà che insorgono quando si voglia usare la televisione per servizi interattivi come la videoconferenza. Questo fatto ha condotto a sviluppare sistemi per la ‛riduzione di ridondanza' dei segnali visivi allo scopo di renderne meno gravosa la trasmissione. I segnali televisivi sono infatti molto ridondanti poiché, attraverso il processo di scansione per righe orizzontali, viene trasmessa, in ogni quadro, l'informazione relativa a tutti i punti dell'immagine, come se, nell'immagine stessa, tutti i punti fossero differenti fra loro (mentre esistono molte aree uniformi) e tutti i punti cambiassero da un'immagine alla successiva (mentre esistono molte parti dell'immagine che restano immutate). I sistemi per la riduzione di ridondanza finora attuati per le videoconferenze sono in grado di assicurare una qualità accettabile, impegnando una capacità di comunicazione equivalente a quella di 30 canali telefonici e anche meno.
3. Evoluzione tecnica dei sistemi di comunicazione mediante satelliti.
Nel presente capitolo si esamineranno per sommi capi le linee di tendenza dell'evoluzione tecnica, le cui conseguenze sono già state in parte richiamate nel capitolo precedente. Si assumeranno noti i concetti esposti nell'articolo informazione, trattamento e trasmissione della.
Una prima tendenza riguarda l'adozione generalizzata della forma numerica per la rappresentazione, l'elaborazione, la trasmissione e la commutazione dei segnali: si tratta di una tendenza comune a tutta l'evoluzione attuale delle reti di telecomunicazione terrestri, evoluzione che il satellite è in grado di anticipare in forma estesa a tutto il territorio servito.
Un altro aspetto importante riguarda gli accorgimenti gradualmente introdotti per usare in modo sempre più efficiente la potenza dei segnali trasmessi, da bordo e da terra, allo scopo di diminuire i costi. A questo riguardo va osservato che, mentre nei sistemi con poche stazioni terrestri queste possono anche essere molto grandi e potenti (come è accaduto all'origine nella rete Intelsat), quando si passa a sistemi ‛diffusi' con numerose stazioni terrestri, installate nei nodi periferici della rete terrestre o addirittura presso gli utenti, diventa fondamentale che queste stazioni siano piccole, semplici e poco costose, anche se ciò può implicare un aumento della complicazione a bordo.
È anche importante usare in modo sempre più efficiente lo spettro delle frequenze disponibili allo scopo di attuare sistemi con capacità di comunicazione molto grande e di allocare la massima capacità possibile in ciascuna posizione orbitale.
L'utilizzazione efficiente della potenza e l'utilizzazione efficiente dello spettro vanno perseguite tenendo conto dei requisiti imposti, sul percorso ascendente, dall' ‛accesso multiplo' al satellite da parte di tutte le stazioni del sistema e, sul percorso discendente, dalla ‛distribuzione multipla' dei segnali verso tutte le stazioni del sistema. Una situazione particolarmente semplice si verifica nel caso dei servizi diffusivi, in cui vi può essere un solo percorso da terra verso il satellite, mentre sul percorso discendente uno stesso segnale interessa tutti gli utenti. In queste condizioni la potenza importante ai fini dell'economia del sistema è quella da trasmettere da bordo; questa varia in proporzione diretta con l'area della zona servita e in proporzione inversa con l'area dell'antenna ricevente di terra. Infatti ciò che interessa è assicurare una certa potenza ricevuta, la quale è pari al prodotto della densità di potenza incidente a terra (watt/m2) per l'area equivalente dell'antenna ricevente. Quanto più numerose si vuole che siano le stazioni di terra, tanto più potente deve essere il satellite, per rendere piccole le stazioni stesse: accade così che, mentre per la distribuzione televisiva dal satellite ai trasmettitori circolari terrestri o alle reti locali in cavo si può operare con antenne a terra aventi diametro di 2-3 metri, per la diffusione diretta agli utenti detto diametro deve ridursi fino a valori inferiori al metro. Per un paese come l'Italia, utilizzando la frequenza di 12 GHz e la copertura prevista dagli accordi internazionali (WARC, World Administrative Radio Conference, 1974), e disponendo di un ricevitore con fattore di rumore di 2,5 dB (basato su un amplificatore a basso rumore con transistore MESFET), è necessario trasmettere da bordo la potenza, in funzione del diametro della stazione di terra. Il satellite televisivo italiano per diffusione diretta trasmetterà la potenza di 230 watt, ossia di 23,6 dBW, che si riducono a 22,6 tenendo conto delle perdite dei collegamenti. A questo valore corrisponde, ai bordi della copertura, un diametro della stazione di terra di 65 cm. Gli accordi internazionali citati prevedono, per quel che riguarda l'Europa, 5 canali televisivi per paese e, per i satelliti, posizioni orbitali che non sono sul meridiano medio del paese servito ma notevolmente più a ovest. Questo accorgimento serve per ovviare al problema delle eclissi che si verificano durante gli equinozi: in questi periodi infatti il satellite, intorno alla mezzanotte del subsatellite, viene a trovarsi nel cono d'ombra generato dalla Terra e le sue celle solari non forniscono più potenza elettrica. Mentre nei satelliti per telecomunicazioni in senso stretto l'inconveniente viene superato alimentando le apparecchiature con apposite batterie, nei satelliti per televisione ciò sarebbe troppo oneroso. Si accetta pertanto un'interruzione del servizio, purché ritardata di un paio d'ore rispetto alla mezzanotte. Questa è la ragione per cui la posizione orbitale del satellite televisivo italiano è stata scelta a 19° di longitudine ovest e cioè più di due fusi orari in ritardo rispetto al nostro meridiano.
Molto più complesso è il caso dei servizi interattivi, per i quali non è più vero che uno stesso segnale interessa tutti gli utenti; anzi, generalmente, un segnale interessa due soli utenti (uomini o macchine) che conversano fra loro. Si tratta in questo caso di assicurare molte conversazioni simultanee, per cui è evidente che conviene spingere la direttività dell'antenna di bordo, al limite fino al caso in cui fasci strettissimi servano ciascuno una singola stazione a terra. La cosa è vantaggiosamente attuabile nella forma di una singola antenna multifascio, avente un unico riflettore e un illuminatore complesso.
La direttività ottenibile ha chiaramente un limite, imposto dalle dimensioni dell'antenna o da tolleranze di costruzione del riflettore. Va anche tenuto presente che al crescere della direttività crescono le difficoltà di puntamento dell'antenna nella direzione desiderata. Per quanto riguarda il primo punto è da osservare che le grandi antenne (con dimensioni superiori a circa 4 metri) non possono essere lanciate da terra nella loro configurazione definitiva e pertanto vengono aperte nello spazio utilizzando speciali strutture meccaniche oppure, secondo più recenti sviluppi, strutture gonfiabili. Nel futuro grandi antenne potranno essere montate nello spazio in orbita bassa, per esempio a bordo delle prossime stazioni spaziali, prima di essere lanciate con l'associato satellite verso la posizione geostazionaria. Allo stato attuale della tecnica un'antenna con apertura del fascio di 0,1 gradi può considerarsi un ragionevole limite. Il corrispondente guadagno rispetto a un'antenna isotropa è intorno a 66 dB. A un'apertura di 0,1 gradi corrisponde una copertura a terra avente un diametro di 63 km nel caso di superficie normale alla direzione di radiazione, ossia situata all'equatore e sul meridiano del satellite. A latitudini maggiori di zero la copertura si allunga nella direzione del meridiano. Con un'antenna direttiva come quella considerata si possono attuare diversi tipi di sistemi e in particolare: a) sistemi con un fascio per stazione, indicati nel caso in cui le stazioni terrestri siano relativamente distanti fra loro e caratterizzate da un grande traffico, che impegna ciascun ricetrasmettitore completo a bordo; b) sistemi a copertura totale con più stazioni per fascio, indicati nel caso in cui le stazioni terrestri siano numerose e vicine fra loro, abbiano un traffico più modesto e al limite siano addirittura installate presso gli utenti finali.
È importante notare che l'uso del sistema multifascio consente di incrementare non soltanto l'efficienza nell'uso della potenza ma anche l'efficienza nell'uso dello spettro, poiché le medesime frequenze possono essere riusate in fasci non adiacenti.
Dedichiamo ora alcune considerazioni alle tecniche di accesso multiplo e di distribuzione multipla.
Quando una singola apparecchiatura (ricevente o trasmittente) deve essere utilizzata da più segnali o deve essere percorsa da un segnale multiplo, si ricorre a due tecniche fondamentali di multiplazione: quella a divisione di frequenza e quella a divisione di tempo. La multiplazione a divisione di frequenza consiste nell'assegnare ai diversi segnali confluenti diverse bande di frequenza, che si riferisce al caso di un satellite con singolo fascio che copre l'intera zona da servire. Ogni stazione emette in un intervallo di frequenze specifico i segnali destinati alle altre stazioni. Quando l'apparecchiatura di bordo è un semplice ricetrasmettitore o un semplice amplificatore con conversione di frequenza, essa non cambia la struttura del segnale così che, se l'accesso multiplo è a divisione di frequenza, anche la distribuzione da bordo verso terra è a divisione di frequenza. Ogni stazione terrestre riceve l'intero segnale multiplo a divisione di frequenza, lo demodula fino a ottenere il complesso dei singoli segnali e preleva quelli a essa destinati.
Il sistema funziona correttamente solo se il ricetrasmettitore è lineare, cioè se l'amplificatore finale di trasmissione di bordo opera lontano dalla saturazione e conseguentemente non emette tutta la potenza di cui è capace; infatti un segnale multiplo a divisione di frequenza è altamente sensibile alle non linearità che producono interazioni fra i segnali componenti, che si traducono in disturbi distribuiti su tutta la banda interessata. Se, per esempio, ogni stazione emette una diversa onda portante modulata in frequenza, si determina la perdita di efficienza all'aumentare del numero delle portanti e cioè degli accessi. Così funzionano i satelliti Intelsat.
L'avvento della trasmissione numerica ha consentito di introdurre la divisione di tempo, trasformando la situazione della fig. 12 in quella della fig. 14. In questa si è riportato il caso in cui non solo l'accesso da parte delle varie stazioni, ma anche la composizione interna dei segnali emessi da ciascuna stazione, per ciò che riguarda le diverse destinazioni, è a divisione di tempo. Ancora una volta, essendo il ricetrasmettitore di bordo un semplice amplificatore-convertitore, l'accesso a divisione di tempo comporta anche la distribuzione a divisione di tempo. Con tale distribuzione, essendo presente nell'amplificatore finale soltanto un segnale alla volta, non esistono problemi di linearità e l'amplificatore può essere spinto alla saturazione, ottenendone la massima potenza.
Il funzionamento a divisione di tempo può essere adottato anche nel caso più complesso del sistema multifascio, ottenendo anche notevoli vantaggi nell'attuazione della rete di commutazione, che può funzionare anch'essa a divisione di tempo, smistando nelle direzioni volute i blocchi di segnali che provengono da ciascun fascio.
Funzionerà ad esempio nel modo indicato il sistema preoperativo italiano via satellite Italsat, che opera con un sistema multifascio a divisione di tempo con sei fasci aventi le coperture indicate nella fig. 15.
Mentre sul percorso discendente la distribuzione a divisione di tempo offre i vantaggi di potenza precedentemente descritti, consentendo di mandare in saturazione l'amplificatore finale di bordo, sul percorso ascendente l'accesso a divisione di tempo obbliga a far lavorare i trasmettitori di terra per frazioni di tempo tanto più piccole quanto più numerose sono le stazioni terrestri. E poiché detti trasmettitori sono generalmente caratterizzati da una certa potenza di picco trasmissibile, l'energia che si può conferire ai segnali è tanto più piccola quanto più è piccolo il rapporto fra il tempo di emissione e il tempo totale. Si tratta di un grave inconveniente, che si fa particolarmente sentire quando le stazioni sono molto numerose e cioè proprio quando si vorrebbe che fossero economiche.
Per tale motivo i più recenti orientamenti della tecnica prevedono una trasmissione continua da terra e in particolare l'uso dell'accesso a divisione di frequenza. A bordo un sistema di elaborazione e di memoria, al presente oggetto di vari studi, trasforma il segnale da divisione di frequenza a divisione di tempo, prima della rete di commutazione e della ritrasmissione a terra. Si tratta dunque di introdurre a bordo un circuito complicato, che le moderne tecnologie elettroniche consentiranno di attuare in modo conveniente.
4. Frequenze superiori a 10 GHz
I sistemi di telecomunicazioni mediante satelliti di prima generazione (Intelsat) hanno usato la gamma di frequenze intorno a 4-6 GHz, e precisamente intorno a 4 GHz per il percorso discendente e intorno a 6 GHz per quello ascendente. Si tratta delle stesse frequenze adoperate nei grandi ponti radio terrestri realizzati negli anni cinquanta e sessanta. Le frequenze citate offrono considerevoli vantaggi per l'attuazione dei sistemi di telecomunicazioni spaziali, poiché la loro propagazione da e verso lo spazio è all'incirca la stessa che si avrebbe nel vuoto (o, come si suol dire, nello spazio libero) e inoltre il rumore captato da un'antenna di terra puntata verso lo spazio è a queste frequenze minimo. Ciò ha indotto lo sviluppo di efficaci amplificatori a basso rumore con conseguenti notevoli vantaggi per quel che riguarda le potenze trasmissibili da bordo. Questa gamma di frequenze, tuttavia, non solo va rapidamente saturandosi, ma presenta anche l'inconveniente che la sua condivisione con i ponti radio terrestri (largamente usati nei paesi ad alto sviluppo) pone grossi problemi di interferenze. È stato pertanto necessario allocare le stazioni terrestri della rete Intelsat in località particolarmente protette dalle interferenze citate: per esempio la stazione della Telespazio al Fucino (v. tav. I, A) si trova in una conca completamente circondata da montagne che rappresentano un eccellente schermo elettromagnetico. Il dover installare le stazioni terrestri in località speciali obbliga ad apprestare lunghe ‛code' terrestri per raggiungere con i segnali le località di utilizzazione (ad esempio, per la rete Intelsat, i centri internazionali della rete terrestre); se ciò è accettabile per i collegamenti a grandissima distanza, come quelli intercontinentali, lo diventa sempre meno a mano a mano che si passa ai collegamenti continentali e addirittura nazionali: questi ultimi, ad esempio, devono interconnettere centri cittadini e le stazioni devono essere associate direttamente a questi.
Problemi di saturazione e di interferenza hanno spinto pertanto all'uso di frequenze più elevate, precisamente di frequenze superiori a 10 GHz, che offrono larghissime bande e quindi grandissime capacità di comunicazione e danno adito a minori problemi di interferenza con i ponti radio terrestri, sia per la presenza di bande esclusivamente dedicate ai servizi via satellite sia per un più facile coordinamento con gli stessi ponti radio. Queste frequenze offrono inoltre il vantaggio di una più alta direttività ottenibile dalle antenne, a pari dimensioni: ad esempio un'antenna di 4 metri di diametro produce a 20 GHz fasci con apertura di 0,25 gradi, prestandosi dunque bene a soluzioni multifascio come quelle discusse nel capitolo precedente. Accanto ai vantaggi citati, le frequenze superiori a 10 GHz presentano il grandissimo svantaggio che la loro propagazione è influenzata negativamente dalle precipitazioni e in particolare dalla pioggia: le gocce d'acqua, infatti, assorbono e diffondono l'energia elettromagnetica, provocando, come effetto principale, un'attenuazione dei segnali. Quest'attenuazione, a parità di situazione piovosa, cresce rapidamente al crescere della frequenza. Naturalmente sono i forti scrosci, che si verificano durante i temporali, a produrre gli effetti più importanti, ma questi scrosci sono molto limitati temporalmente e spazialmente, come si dirà più avanti. Esperimenti sui fenomeni citati sono stati condotti in modo sistematico negli ultimi dieci anni e a essi ha contribuito in modo rilevante il satellite italiano Sirio (v. tav. I, B), primo satellite europeo dedicato a queste ricerche. Il Sirio ha operato alle frequenze di 11-12 e di 17-18 GHz con tre stazioni principali in Italia, sette stazioni in Europa e una negli Stati Uniti. La fig. 16 mostra le distribuzioni statistiche dell'attenuazione ottenute in cinque anni nella stazione italiana di Lario (Como): in essa è riportata in ordinate la frazione di tempo per cui l'attenuazione è risultata maggiore del valore indicato in ascisse. La figura è ben rappresentativa della variabilità di anno in anno delle condizioni meteorologiche. La fig. 17 riporta le distribuzioni complessive per le tre stazioni italiane, mettendo in evidenza le differenze intercorrenti fra le varie località. Le condizioni di Lario sono prossime alle peggiori che si possano incontrare nel nostro paese e a esse si farà riferimento nei prossimi esempi. Le distribuzioni riportate forniscono in ascisse il margine di potenza che si deve introdurre nel collegamento, rispetto al caso di cielo chiaro, per assicurare che la frazione di tempo di fuori servizio (dovuto alla sola propagazione) non superi il valore indicato in ordinate. Si osservi che le distribuzioni delle figg. 16 e 17 sono molto incurvate verso l'alto (si tratta approssimativamente di distribuzioni logaritmico-normali), il che significa che il margine di potenza necessario cresce sempre più rapidamente a mano a mano che si desidera un tempo di fuori servizio più piccolo. Nelle reti pubbliche sono richiesti tempi di fuori servizio complessivi (e cioè relativi a ciascun percorso terra-spazio-terra) compresi fra 10-3 e 10-4; a ciò corrispondono nel singolo collegamento (terra-spazio o spazio-terra) valori ovviamente più piccoli, da ridurre ulteriormente in funzione della frazione di fuori servizio che si vuol lasciare ai guasti degli apparati.
La fig. 18 riporta, insieme con le frequenze sperimentate dal Sirio, le assegnazioni di frequenza stabilite internazionalmente per le telecomunicazioni via satellite fra punti fissi, alle frequenze immediatamente superiori a 10 0Hz. Si osserva la banda 11-14 GHz (larga 1 GHz), condivisa con i ponti radio terrestri, e una piccola banda fra 12,5 e 12,75 GHz (larga quindi 250 MHz) assegnata in esclusiva ai sistemi via satellite; questa, in associazione con un'analoga banda intorno a 14 GHz, è molto importante per i collegamenti in ambito nazionale (banda 12-14 GHz). Si nota ancora la banda intorno a 12 GHz assegnata alla diffusione televisiva diretta da satellite e un'analoga banda a 17-18 GHz da usarsi sul percorso ascendente per inviare i segnali ai satelliti televisivi. Si osserva infine la grande banda 20-30 GHz e larga ben 2.500 MHz, che sarà fondamentale per le grandi reti nazionali degli anni novanta.
La tab. I fornisce, per una stazione come Lario, i margini di potenza necessari, per le bande 12-14 e 20-30 GHz, per assicurare i tempi di fuori servizio indicati (per ciascun collegamento parziale terra-spazio o spazio-terra). Per comodità sono indicati tra parentesi i rapporti di potenza corrispondenti al valore in decibel con cui i margini sono normalmente espressi. Si rileva come detti margini, molto bassi per tempi di fuori servizio grandi (10-2), diventano rilevanti quando il tempo di fuori servizio (dovuto alla sola propagazione) venga allocato a 10-4, assumendo valori certamente impraticabili a 20-30 GHz.
In queste condizioni il metodo della ‛forza bruta', che consiste nell'accrescere quanto basta la potenza per vincere l'attenuazione, deve essere abbandonato, e occorre rivolgersi a metodi più intelligenti, come i metodi ‛adattativi', che traggono vantaggio dalla limitata estensione spaziale e temporale dei forti scrosci di pioggia. Il più semplice e noto di questi metodi è la ‛diversità di posizione', che usa, per servire una certa località, due stazioni terrestri distanti fra loro 10-15 km, in modo che venga fortemente ridotta la probabilità di avere simultaneamente un forte scroscio su entrambe le stazioni. Il margine di potenza viene in questo modo fortemente ridotto, al prezzo di dover provvedere a due installazioni e al collegamento terrestre fra le medesime. (La doppia apparecchiatura di stazione non è generalmente un aggravio, poiché può semplicemente corrispondere a una separazione spaziale fra l'apparecchiatura di servizio e l'apparecchiatura di riserva, necessarie per far fronte ai guasti degli apparati). Metodi adattativi più efficaci mettono in atto una risorsa comune a tutte le stazioni, cui possono attingere di volta in volta le stazioni in difficoltà. Uno di questi metodi è ad esempio la ‛diversità di frequenza', che appare di particolare efficacia. Esso consiste nell'usare in forma integrata due bande di frequenza, ad esempio la banda 20-30 GHz e la banda 12-14 GHz, sfruttando la grande capacità di comunicazione della prima e la minore attenuazione da pioggia che si verifica nella seconda. Tutte le stazioni (come il satellite) sono in questo caso equipaggiate per lavorare in entrambe le bande; normalmente viene usata la banda 20-30 GHz, ma il collegamento (terra-satellite e satellite-terra) con una particolare stazione viene commutato a 12-14 GHz quando l'attenuazione a 20-30 GHz diventa insostenibile. I collegamenti attuabili simultaneamente a 12-14 GHz rappresentano la risorsa comune cui si è precedentemente accennato. Le tabb. II e III illustrano con molta evidenza il vantaggio che si può conseguire con questo metodo: si tratta di valutazioni approssimative effettuate in base ai risultati ottenuti da Sirio e precisamente in base alle ‛distribuzioni congiunte' dell'attenuazione ricavate per le tre stazioni italiane. Le tabelle si riferiscono rispettivamente a una probabilità di fuori servizio complessiva (terra-spazio-terra), dovuta alla propagazione, di 10-4 e di 4 × 10-4. Anche in questo caso occorre, in una stessa località, un'attrezzatura per l'una e per l'altra frequenza, ma ciò può semplicemente significare che la necessaria apparecchiatura di riserva è attuata su una frequenza differente.
Molto diversa può essere la situazione nel caso di stazioni installate direttamente presso gli utenti, e più precisamente destinate a servizi interattivi presso gli utenti ‛affari' che sono quelli più interessati. In questo caso è verosimile che vengano accettati tempi di fuori servizio più grandi di quelli prima considerati. Ad esempio, in recenti sistemi di questo genere, attuati o proposti, sono stati assunti obiettivi di fuori servizio compresi fra 5 × 10-3 e 10-2. Va notato che in questi casi l'utente può introdurre un'adattatività fra mezzo disponibile e servizio effettuato: ad esempio, se nel corso di una videoconferenza si verifica un forte scroscio di pioggia e la stazione non è in grado di far fronte all'attenuazione che si verifica, si può momentaneamente rinunciare all'immagine in movimento e proseguire con l'audio e le immagini fisse (documenti e diapositive), guadagnando circa 15 dB sul margine di potenza necessario.
5. Collegamenti con mezzi mobili
Per collegamenti con mezzi mobili si intendono i collegamenti con navi, aerei e veicoli terrestri. Il primo sistema attuato è stato quello dell'Inmarsat per le telecomunicazioni marittime. Per queste infatti, con particolare riferimento alla navigazione transoceanica, il satellite ha consentito di superare le difficoltà che si avevano con l'uso delle classiche onde corte studiate da Marconi, le quali hanno sì il pregio di propagarsi a grande distanza a causa della riflessione ionosferica, ma hanno il difetto di una propagazione alquanto irregolare e di una scarsa capacità di comunicazione. Con le onde corte le attese per stabilire una comunicazione possono essere molto lunghe e cioè di ore e in qualche caso di giorni. L'Inmarsat è stato istituito nel 1979 da 28 Stati, oggi saliti a 45, tra cui Stati Uniti, Unione Sovietica, i principali paesi dell'Europa occidentale e orientale, e altri paesi di tutti i continenti.
L'Inmarsat usufruisce oggi di 6 satelliti (due per ciascuno degli oceani Atlantico, Pacifico e Indiano): due satelliti Marecs, prodotti dall'Europa, e quattro satelliti Intelsat V del tipo più recente, dotati di un'apposita apparecchiatura. Il sistema è completato da una rete a terra, che comprende 14 stazioni costiere distribuite in tutti i continenti: con queste si possono collegare i circa 4.000 terminali installati a bordo di navi battenti bandiera di 70 paesi. Il sistema consente collegamenti telefonici, telex e dati. Le bande di frequenza adoperate sono quella di 4-6 GHz (come per i collegamenti con punti fissi) per la tratta satellite-stazione costiera e viceversa, e quella di 1,5-1,6 GHz per la tratta nave-satellite e viceversa. Una banda addizionale larga 1 MHz è stata riservata ai collegamenti di emergenza e di soccorso.
Per gli aerei, che volano ad alta quota e soprattutto ad alta velocità, la necessità di collegamenti mediante satellite è stata meno impellente, poiché essi possono usare fino a notevole distanza dalla costa i collegamenti in visibilità a frequenze elevate (VHF) e devono fare ricorso alle onde corte per un tempo limitato. Ciò non toglie che anche per gli aerei vi sia interesse a utilizzare i servizi via satellite; l'Inmarsat conta infatti di operare anche in questo campo. Alcune osservazioni fatte per i collegamenti via satellite con punti fissi si applicano a maggior ragione per i collegamenti con mezzi mobili: si tratta del problema dell'utilizzazione efficiente delle frequenze e delle potenze e della necessità di attuare stazioni a terra il più possibile piccole ed economiche. Nel caso attuale il problema delle frequenze è aggravato dalla necessità di operare con frequenze relativamente basse per non avere eccessiva direttività delle antenne e conseguenti problemi di puntamento dal mezzo mobile, ma le frequenze basse (come quelle intorno a 1,51,6 GHz) offrono una limitata capacità di comunicazione. Ancora una volta l'antenna multifascio può consentire, oltre che una maggiore efficienza di potenza, un uso più efficiente delle frequenze, perché offre la possibilità di utilizzare le medesime frequenze in fasci non adiacenti. Peraltro l'ottenimento di fasci relativamente stretti a 1,5 GHz richiede antenne di bordo molto grandi. Il satellite sperimentale ATS-6 della NASA ha aperto nello spazio un'antenna con diametro di quasi 10 metri; per il futuro più lontano si pensa ad antenne con diametro addirittura di 50 metri, apribili o costruibili nello spazio.
Per quanto riguarda i collegamenti con i mezzi mobili terrestri, che richiedono e soprattutto richiederanno una grandissima capacità di comunicazione, il satellite, allo stato attuale delle cose, si trova in difficoltà rispetto alle reti terrestri, almeno nelle regioni ad alto sviluppo, per la limitata capacità di comunicazione che è in grado di offrire. Occorre a questo riguardo sottolineare che le cosiddette ‛reti cellulari' terrestri per servizi mobili, attualmente in corso di sviluppo a frequenze prossime a 900 MHz, sono caratterizzate da celle, ciascuna servita da un ricetrasmettitore fisso, le cui dimensioni sono anche molto piccole, dell'ordine del chilometro. La copertura del territorio presenta pertanto lo stesso aspetto di una copertura multifascio da satellite (v. fig. 11), ma la copertura elementare (o cella) ha dimensioni estremamente più piccole. Le frequenze disponibili possono perciò essere riusate assai più spesso, con un incremento rilevante della capacità di comunicazione totale. Ciò nonostante sono in corso molti studi e sono in programma vari esperimenti nel campo delle telecomunicazioni mediante satelliti collegati con mezzi mobili terrestri. Sono prevedibili applicazioni almeno per le regioni del mondo poco abitate oppure come complemento alla rete terrestre, per far fronte a congestioni in particolari punti (dovute per esempio ad abbondanti nevicate che bloccano o rallentano il traffico e accrescono le richieste di comunicazioni contemporanee) o come aiuto alla gestione della rete terrestre.
6. Piattaforme spaziali e collegamenti intersatelliti
Soprattutto con l'adozione nello spazio di antenne molto direttive e delle tecniche multifascio, grandi capacità di comunicazione potranno essere concentrate in ciascuna posizione orbitale, favorendo tra l'altro l'utilizzazione intensiva dell'orbita geostazionaria che incomincia a essere alquanto affollata. Questa concentrazione di capacità comunicative richiederà in ciascuna posizione orbitale l'installazione di molte apparecchiature e di grandi antenne; ciò potrà essere ottenuto con ‛grappoli' di satelliti fra loro molto vicini, collegati reciprocamente con frequenze elevatissime o addirittura ottiche, e controllati in posizione relativa (v. tav. II, A); per il futuro più lontano alcuni prevedono grandi strutture, da costruirsi nello spazio, capaci di ospitare molti sistemi di telecomunicazioni e di fornire i servizi comuni, come alimentazione, controllo di posizione e di assetto, ecc. (v. tav. II, B). Su queste strutture potrebbero essere montate apparecchiature modulari e antenne anche di grandi dimensioni. I vari sistemi (ad esempio nazionali, per servizi fissi e mobili, per diffusione, ecc.) potrebbero essere interconnessi sulla piattaforma con grandi vantaggi complessivi.
Crescente attenzione viene rivolta alla possibilità di attuare collegamenti fra i satelliti utilizzando onde millimetriche o onde luminose. L'importanza di questi collegamenti è evidente quando si pensi che essi consentirebbero di interconnettere fra loro sistemi diversi, ottenendo notevoli vantaggi in termini di semplificazione degli apparati e quindi economici.
BIBLIOGRAFIA
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CNR, Centro di studio sulle telecomunicazioni spaziali, Programma Sirio, Milano 1985.