L'approfondimento

5G e le costellazioni di satelliti LEO, un binomio di successo

Entro i prossimi dieci anni si prevede di mettere in orbita costellazioni composte da decine di migliaia satelliti Low earth orbit (LEO). La storia, dal fallimento alla rinascita. L’integrazione fra reti LEO e 5G

01 Set 2021
Marco Moretti

Università di Pisa

Nel primo trimestre del 2022 è attesa l’integrazione delle reti terrestri 5G con quelle satellitari in generale e Low earth orbit (LEO) in particolare. A trainare il successo delle reti LEO sono la nuova maturità tecnologica raggiunta nel settore spaziale/elettronico, il 5G e la corsa spaziale, avviata, a suon di decine di miliardi di investimenti privati, da Blue Origin del fondatore di Amazon, Jeff Bezos, e Space X di Elon Musk.

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I fattori che trainano i satelliti Low earth orbit (LEO)

Negli ultimi anni le infrastrutture per comunicazioni satellitari, compresi i satelliti Low earth orbit (LEO), hanno registrato una crescita esponenziale, sostenuta da diversi fattori. Fra questi, i più importanti sono:

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  • La riduzione enorme del costo del lancio dei satelliti: negli ultimi anni il costo per lanciare un satellite è sceso a circa $1,400/kg rispetto ai valori superiori a $10,000/kg dei primi anni 2000;
  • Lo sviluppo tecnologico dei satelliti stessi che si sono differenziati per forma, costo, capacità di calcolo e di comunicazione. Ad esempio, si va dai satelliti di grandi dimensioni (peso > 1000 kg) ai picosatelliti, minuscoli dispositivi di volume pari a 5cm3 e peso inferiore ad 1 kg;
  • L’introduzione di nuove tecnologie, come ad esempio le comunicazioni free space optical (FSO) che, sfruttando recenti avanzamenti nella tecnologia di laser per telecomunicazioni, permettono di stabilire collegamenti ottici nello spazio tra satelliti ad altissima velocità;
  • Lo sviluppo di chipset specifici a basso consumo progettati per permettere l’elaborazione a bordo di funzioni tipiche dell’intelligenza artificiale.

I vantaggi delle reti satellitari LEO. La storia, dal fallimento alla rinascita

I satelliti LEO vengono lanciati a una quota che va da 160 a 2000 km contro i 36000 km dei satelliti geostazionari (GEO) e quindi presentano numerosi vantaggi e alcuni limiti. Tra i vantaggi di una quota più bassa ci sono sicuramente il costo ridotto per la messa in orbita, la minore latenza delle trasmissioni e la minore potenza richiesta per trasmettere o ricevere un segnale a terra. Lo svantaggio principale è che ciascun satellite LEO, trovandosi molto più in basso, illumina solo una frazione della zona coperta da un satellite GEO e quindi per avere coperture simili una rete LEO richiede un numero di satelliti molto maggiore di una rete GEO.

Tradizionalmente questo limite era tale che tutti i principali sistemi di comunicazione satellitari sono stati basati su satelliti GEO. Adesso, invece, grazie ai costi notevolmente ridotti, si prevede di mettere in orbita costellazioni composte da moltissimi satelliti LEO, suddivisi su un certo numero di piani orbitali, ciascuno che illumina una frazione della superficie terrestre.

Storicamente, le prime reti LEO sono state Iridium e GlobalStar, fondate entrambe negli anni ’90, ma chiuse nei primi anni 2000 con uno dei più grandi fallimenti della storia delle TLC americane. Il costo di questo fallimento è stato tale che a lungo l’utilizzo di costellazioni LEO per TLC è sembrato tramontato per sempre. I recenti cambiamenti tecnologici e l’enorme riduzione dei costi di messa in orbita hanno però rivitalizzato l’idea dell’impiego dei satelliti LEO tanto che, se tutte le attuali proposte di sistemi LEO diventeranno realtà, circa 50 mila satelliti attivi orbiteranno sopra le nostre teste entro i prossimi dieci anni.

In particolare, negli ultimi anni sono nate nuove aziende che sfruttano le immense potenzialità di questa nuova generazione di satelliti. Per esempio, Planet Labs, una società che offre servizi di Earth observation and Earth imaging, dispone di costellazioni composte da centinaia di satelliti che sono in grado di ricavare immagini ad alta risoluzione della superficie terrestre e metterle a disposizione per servizi di sorveglianza, sicurezza, monitoraggio climatico, previsioni dei raccolti in agricoltura, pianificazione urbana e risposta a calamità naturali.

Non solo Space X di Elon Musk

Ma è nel mondo delle comunicazioni che questa rivoluzione ‘satellitare‘ ha avuto il massimo impatto e dove oramai si sta assistendo ad una vera e propria ‘space race’. I numeri sono impressionanti e riflettono investimenti immensi. Starlink, la società di telecomunicazioni fondata da Elon Musk, ha già lanciato in collaborazione con l’altra sua società, Space X, più di 1600 satelliti per telecomunicazioni disposti su 25 piani orbitali per coprire tutta la superficie terrestre e prevede a regime di averne più di 20 mila in orbita. La società inglese OneWeb ha messo in orbita 220 satelliti LEO e conta di portare la sua costellazione a 648 entro pochi mesi. A regime, OneWeb ha chiesto permessi per una costellazione di oltre 6000 satelliti. Anche Amazon ha fondato la sua società di TLC satellitari e con la sua società ‘Project Kuiper’ prevede la messa in orbita di 3236 satelliti LEO.

Integrazione reti LEO e 5G

Il 5G è uno standard rivoluzionario pensato per fornire un supporto personalizzato e ottimizzato per una pletora di servizi, carichi di traffico, e comunità di utenti finali. Una tale innovazione tecnologica può essere raggiunta solo mediante la realizzazione di un sistema eterogeneo e ottimizzato per i vari tipi di servizi.

In questo contesto, l’integrazione delle reti terrestri con quelle satellitari in generale e LEO in particolare è un passo necessario, che verrà intrapreso e formalizzato a partire dalla release 17 dello standard, la cui uscita è prevista nel primo trimestre del 2022.

I contributi più importanti che le reti LEO possono offrire ai sistemi 5G

In sostanza, il successo delle reti LEO è la combinazione di tre fattori concorrenti e tutti ugualmente importanti: la nuova maturità tecnologica nel settore spaziale/elettronico, la nascita di un nuovo standard di telecomunicazioni rivoluzionario, il 5G, che per essere realizzato richiede innovazione a tutti i livelli ed infine un investimento di capitali privati di decine di miliardi di dollari con Amazon e Elon Musk, fra gli altri, in prima fila.
Ecco, nei dettagli, i vantaggi più importanti che le reti LEO possono offrire ai sistemi 5G.

Incremento della copertura

Grazie alla capacità di illuminare qualsiasi area geografica senza vincoli di nessun tipo, i satelliti possono aumentare la copertura dei sistemi 5G terrestri in aree poco popolate o difficilmente raggiungibili perché remote.

Connettività IOT

Una delle caratteristiche più innovative del 5G è la capacità di gestire un’altissima densità di dispositivi di qualsiasi tipo per realizzare l’internet of things (IOT); le reti satellitari LEO per la loro caratteristica di grande copertura con dispendio di potenza contenuto sono in grado di gestire migliaia di
dispositivi in uplink.

Backhaul per le ‘small cells’

Le elevatissime velocità dati del 5G sono ottenibili anche grazie all’aumento della densità delle celle che al tempo stesso diventano sempre più piccole; in molti casi garantire il collegamento delle nuove small cells può risultare quasi impossibile a causa dei limiti dell’infrastruttura terrestre esistente, questi stessi limiti possono essere facilmente superati grazie al supporto delle reti LEO che riescono a collegare senza particolari problemi le small cells alla rete con trasmissioni dati a velocità elevatissime.

Collegamenti speciali

Il paradigma 5G prevede la possibilità di collegare gli utenti anche a bordo di aerei o di qualsiasi altro tipo di veicolo in movimento, anche in questo caso le caratteristiche della rete LEO semplificano enormemente il raggiungimento di questo obiettivo.

Backup in caso di emergenze

La rete LEO non è colpita dalla maggior parte dei disastri naturali ed è quindi in grado di continuare a funzionare anche quando la rete terrestre è colpita da una qualche avversità di origine naturale o di origine umana come atti di guerra o di terrorismo.

@RIPRODUZIONE RISERVATA

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