Comunicazioni satellitari nella nuova era spaziale: un’indagine e sfide future

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Le comunicazioni via satellite (SatCom) sono recentemente entrate in un periodo di rinnovato interesse motivato dai progressi della tecnologia e alimentate attraverso investimenti e iniziative private. Il presente articolo mira a cogliere lo stato dell'arte nelle SatCom, evidenziando i temi di ricerca aperti più promettenti. In primo luogo, i principali motori dell'innovazione sono motivati, ad esempio, dai nuovi tipi di costellazioni, capacità di elaborazione a bordo, reti non terrestri e raccolta/elaborazione di dati basati sullo spazio. In secondo luogo, vengono descritte le applicazioni più promettenti, ovvero l'integrazione del 5G, le comunicazioni spaziali, l'osservazione della Terra, il tracciamento e le comunicazioni aeronautiche. Infine, sono mostrati aspetti di sistema quali i tipi di costellazione, l'architettura di comunicazione e lo spettro.

Introduzione

Fin dal loro inizio, le comunicazioni via satellite (SatCom) hanno trovato una pletora di applicazioni, tra cui trasmissione dei media, backhauling, raccolta di notizie, ecc. Al giorno d'oggi, seguendo l'evoluzione di applicazioni Internet-based, i SatCom stanno attraversando una fase di trasformazione focalizzando nuovamente la progettazione del sistema sui servizi dati, vale a dire SatCom a banda larga. La motivazione principale è (a) la rapida adozione dello streaming multimediale anziché dei media lineari a radiodiffusione e (b) l'urgente necessità di estendere la copertura a banda larga delle aree scarsamente servite (ad esempio, paesi in via di sviluppo, aereo/marittimo, rurale). Inoltre, un'importante pietra miliare è la quinta generazione di sistemi di comunicazione (5G), e l'integrazione e convergenza di diverse tecnologie cablate e wireless. In questo contesto, i SatCom aprono la strada all'integrazione perfetta mirata ed a casi d'uso specifici che possono sfruttare le loro capacità uniche. In parallelo, iniziative private hanno portato allo sviluppo di una moltitudine di opzioni di produzione e lancio, solo in precedenza riservato ai governi e ad una manciata di grandi internazionali corporazioni. Questa iniziativa denominata New Space ha generato un gran numero di tecnologie innovative a banda larga e di missioni per l'osservazione della Terra che richiedono forti progressi nei sistemi SatCom. Lo scopo di questo articolo è descrivere in un modo strutturato questi progressi tecnologici ed evidenziare le principali sfide della ricerca e quelle che sono le questioni aperte.

Motivazioni

Tradizionalmente, i satelliti geostazionari (GEO, Geostationary) sono stati utilizzati principalmente per le SatCom in quanto evitano movimenti veloci tra i terminali e il ricetrasmettitore satellitare, e consentono inoltre un'ampia copertura utilizzando un singolo satellite. I sistemi satellitari multibeam sono stati specificamente sviluppati per consentire un efficiente riutilizzo della frequenza e velocità di banda larga ad alto rendimento in tutta l'area di copertura, non diversamente dalle loro controparti cellulari terrestri. Tuttavia, nuovi tipi di costellazioni più ambiziosi sono attualmente in fase di sviluppo, motivati ​​da tecnologie di comunicazione avanzate e costi di lancio più economici. In questa direzione, recentemente c'è stato un enorme interesse nello sviluppo di grandi costellazioni di Low Earth Orbit (LEO) in grado di fornire servizi a banda larga ad alto rendimento con bassa latenza. Questo tipo di costellazione è stato il Santo Graal dei SatCom da quando Teledesic lo ha proposto per la prima volta 25 anni fa. Tuttavia, sembra che ora i relativi processi di produzione e lancio siano maturati e un'implementazione fattibile potrebbe essere a portata di mano. Diverse aziende, come SpaceX, Amazon, OneWeb e TeleSAT, hanno già annunciato grandi piani LEO tra cui migliaia di satelliti e alcuni hanno già lanciato satelliti dimostrativi. A partire da gennaio 2020, SpaceX ha schierato 242 satelliti per costruire la sua costellazione Starlink, con l'obiettivo di raggiungere quasi 12000 satelliti entro la metà del 2020. Ancora, si tenga in mente che recentemente una costellazione di Medium Earth Orbit (MEO) composta da 20 satelliti (O3B) è stata posta in un'orbita circolare lungo l'equatore ad un'altitudine di 8063 km. Ogni satellite è dotato di dodici antenne orientabili meccanicamente per consentire il tracciamento e la consegna dei terminali. Si prevede che la prossima generazione di satelliti O3B utilizzerà un'antenna attiva in grado di generare migliaia di fasci insieme a un processore trasparente digitale a bordo. Questo tipo di costellazione è l'unico ad offrire un compromesso tra dimensione della costellazione e latenza. Infine, la proliferazione di nuovi tipi di costellazioni ha dato origine a costellazioni ibride che combinano risorse in orbite diverse. Uno di questi esempi è la combinazione di connettività MEO e GEO, in cui i terminali possono passare senza problemi tra le due orbite. Un altro esempio è il backhauling dei dati satellitari LEO attraverso satelliti in orbita più alta.

Applicazioni e casi d'uso

Lo scopo di questa sezione è delineare e descrivere brevemente alcune delle applicazioni e dei casi d'uso più rilevanti in cui i SatCom possono svolgere un ruolo significativo.

Rete non terrestre 5G

Il 5G sarà più di una semplice evoluzione degli standard precedenti, abbracciando un'ampia nuova gamma di applicazioni in modo da soddisfare futuri importanti segmenti di mercato, come il settore automobilistico e dei trasporti, media e intrattenimento, e-Health, Industria 4.0, etc. Tre gruppi principali di casi d'uso del 5G sono definiti da ITU-R per le telecomunicazioni mobili internazionali (IMT) per il 2020 e oltre (IMT-2020): banda larga mobile potenziata (eMBB), comunicazione massiccia di tipo macchina (mMTC) e ultra-affidabile e comunicazioni a bassa latenza (uRLLC). Il ruolo che i satelliti possono svolgere nell'ecosistema 5G è cruciale ed è stato ampiamente riconosciuto. Il 3rd Generation Partnership Project (3GPP) ha avviato nuove attività nel marzo 2017 per studiare il ruolo dei satelliti nel 5G, e due oggetti di studio sono già stati conclusi. Dopo due anni di fase di studio, è ora approvato che NTN (Non-Terrestrial Network) sarà una nuova caratteristica chiave del 5G e un elemento di lavoro è iniziato a partire da gennaio 2020. Tre gruppi principali di casi d'uso per i sistemi NTN 5G sono stati definiti dal 3GPP. In primo luogo, la NTN può migliorare significativamente l'affidabilità della rete 5G garantendo la continuità del servizio, nei casi in cui non possa essere offerto da una singola rete o da una combinazione di reti terrestri. Ciò è particolarmente vero nel caso di piattaforme mobili (ad esempio, auto, treno, aereo, etc.) e comunicazioni mission-critical. In secondo luogo, NTN può garantire l'ubiquità del servizio 5G in aree non servite (ad esempio, deserti, oceani, foreste, etc.) o poco servite (tipo, aree urbane) dove non esiste una rete terrestre o è troppo poco praticabile/costosa o inefficace da raggiungere. Infine, ma non meno importante, NTN può abilitare la scalabilità del servizio 5G grazie all'efficienza dei satelliti nel multicasting o nel broadcasting su un'area molto ampia. Questo può essere estremamente utile per scaricare la rete terrestre, trasmettendo contenuti popolari ai margini della rete o direttamente agli utenti. Di seguito, è riportato un elenco più dettagliato dei casi d'uso dei satelliti per ciascun gruppo di servizi 5G e un'illustrazione è mostrata in Figura 1.

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