COMUNICAÇÕES VIA SATÉLITE

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COMUNICAÇÕES VIA SATÉLITE

HISTÓRICO

A partir de meados do século XX , com o desenvolvimento das telecomunicações , em âmbito mundial , surgiu a necessidade de se utilizar algum canal de comunicação que permitisse enviar

informações a regiões diferentes do globo , muito distantes entre si . Tal comunicação se mostrou impraticável através do uso de cabos e enlaces de rádio (VHF , UHF e microondas) por vários mótivos , dentre eles o elevado custo na implantação de muitas estações repetidoras entre os pontos de interesse , indisponibilidade de infraestrutura necessária para todos os pontos (energia) , e outros . Foi diante deste contexto que surgiu a idéia de se colocar um REPETIDOR de radiofrequência no espaço , a uma altura que permitisse enviar mensagens a este ponto e deste , as informações fossem retransmitidas ao destino , em visada direta . A partir de então , várias entidades e empresas se dedicaram à pesquisa e ao desenvolvimento de tais elementos , que receberam o nome de SÁTÉLITES (inspirados no nosso satélite natural – a lua) .

• 1958 – Lançamento do satélite SCORE para transmissão de

mensagens de natal do então presidente dos EUA (Einsenhower)

• 1960 – Lançamento do satélite ECHO , que era simplesmente um

balão refletor .Lançamento do satélite COURIER , que foi o primeiro repetidor ativo (gravava a mensagem recebida em fita magnética para posterior retransmissão) .

• 1962 – Lançamento do TELSTAR (AT&T) e RELAY (RCA &

NASA) . O TELSTAR foi o primeiro a transmitir e receber

simultaneamente , operando numa largura de faixa disponível de 50 MHz .

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• 1965 – Lançamento do primeiro satélite russo de órbita elíptica – MOLNIYA . Ainda este ano , foi lançado o primeiro da série INTELSAT (International Telecomunications Satélite

Consortium) , o EARLY BIRD – Operava 240 canais de voz ou um canal de TV (50 MHz de BW total . Tinha uma potência de saída de 40 W . Sua vida útil , na época foi estimada em 1,5 anos , tendo permanecido operacional por 3,5 anos .

• 1966 – Lançado o INELSAT II – já apresentava uma vida útil

projetada para 3 anos . Apresentava uma BW de 130 MHz , tendo sido o primeiro satélite a permitir o múltiplo acesso de seus

transponders . A capacidade de tráfego era de 240 canais de voz ou 1 canal de TV .

• 1968 – O INTELSAT III já oferecia uma capacidade equivalente

a 1200 canais de voz ou 4 canais de TV . com uma BW total

disponível de 450 MHz . O tempo de vida útil já estava na cas dos 5 anos .

• Posteriormente – Foram lançados os INTELSAT IV , IV-A , V ,

V-A . O satélite INTELSAT IV foi planejado para uma vida útil de 10 anos , com capacidade para 40.000 canais de voz e 2 canais de TV , dispondo de 36 transponders de banda C e 10

transponders de banda KU .

• Além dos satélites já citados , existem hoje um grande número de

satélites domésticos e regionais em operação , como os

domésticos canadenses ANIK , os americanos WESTAR , os BRASILSAT’s , PANANSAT’s , etc . Os satélites mais

modernos (a partir de 1993) são lançados com uma vida estimada de 13 a 15 anos . Além destes , existem aqueles relacionados às comunicações móveis (IRIDIUM e GLOBALSTAR) , surgidos recentemente como grande promessa de comunicação pessoal , em âmbito mundial .

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Estrutura básica de um sistema de comunicação via satélite

Um sistema de comunicação via satélite éconstituído basicamente de:

• Segmento espacial ;

• Segmento terrestre

O segmento espacial compreende o satélite propriamente dito e tem a função de amplificar , transladar e redirecionar o feixe de

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radiofrequência para o ponto destino e/ou para aplicações ponto-multiponto (broadcast) bidirecionais , como por exemplo , os serviços móveis de comunicação global . Alguns Satélites mais modernos também apresentam modulação/demodulação em suas estruturas .

O segmento terrestre se encarrega de todo o processamento da

informação (Amplificação , modulação , aplicação de algoritmos de regeneração , etc...) , já que dentre os 2 estágios , é o menos limitado

O satélite e seus componentes de funcionamento

Uma vez colocados em órbita , os satélites devem manter-se nela de forma estável .

No espaço , o satélite sofre força de atração de outros corpos , como a lua , o sol e a própria terra . Estas forças tendem a retirar

lentamente o satélite de sua órbita .

Por este motivo , os satélites possuem mecanismos de auto-estabilização .

Basicamente , existem 2 tipos de satélites quanto à estabilização :

• Estabilizados a três eixos

• Giro-estabilizados

Os satélites estabilizados a três eixos são estabilizados por giroscópios (foguetes de estabilização)

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Os satélites giro-estabilizados (maior parte dos satélites síncronos) são estabilizados pela própria massa que fica girando sobre seu próprio eixo , paralelamente ao eixo de rotação da terra .

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Uma vez em órbita e estáveis , os satélites nada mais são que REPETIDORES DE MICROONDAS .

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Algumas configurações típicas são apresentadas a seguir :

• Translação RF-RF

• Translação RF-FI-RF

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• Demodulação-remodulação

Os satélites possuem diversos canais , chamados TRANSPONDERS Cada transponder tem a função de transladar frequências (frequência de subida ⇒ frequência de descida , e vice-versa) .

Os transponders são organizados em um plano de frequências , na faixa de operação do satélite . Na figura abaixo , exemplificamos com o plano de frequências do INTELSAT , operando na banda C

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Faixas de frequência

A seguir , mostramos as faixas de frequências utilizadas nas comunicações via satélite :

Banda Faixa (GHz) L 1 ~ 2 S 1 ~ 4 C 4 ~ 8 X 8 ~ 12 Ku 12 ~ 18 K 18 ~ 27 Ka 27 ~ 40

Dentre estas , as mais utilizadas são as bandas L , C e Ku .

• L ⇒ É empregada nos satélites de baixa órbita (LEO) e sua

principal utilização é nas comunicações móveis terrestres , inclusive na comunicação celular global (Iridium , Globalstar)

• C ⇒ É utilizada pelos satélites BRASILSAT , INTELSAT ,

PANAMSAT , NATVELSAT . Esta faixa de frequências é utilizada nas regiões da terra onde existe elevado índice pluviométrico .

• Ku ⇒ Utilizada por outra classe de INTELSAT , PANAMSAT e

NATVELSAT . é utilizada em regiões mais secas .

Classificação quanto à órbita

Existem 3 tipos de órbitas utilizadas para satélites . São elas : Geoestacioárias , Heliocêntricas e órbitas baixas .

• Geoestacionárias (GEO) ⇒ Órbita circular , situada acima da

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satélites presentes nesta condição caracterizam-se por

apresentarem um período de rotação idêntico ao período de rotação da terra (23h57min) . Portanto , para um observador situado na superfície da terra , o satélite se apresenta parado , Portanto , apresenta um tempo de visibilidade de 24 Hs . Utilizadas por sistemas que apresentam necessidade de permanente comunicação entre 2 pontos na terra .

• Órbitas baixas (LEO – Low Earth Orbit) ⇒ Órbitas também

circulares (como a geoestacionária) , porém com uma distância bem menor em relação à superfície da terra – em torno de 780 Km . Existem 6 órbitas com estas características . Utilizadas pelos sistemas móveis e por satélites meteorológicos . Os satélites situados nestas condições apresentam um período de 1h40min , com um tempo de visibilidade de 10 min. .

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• Heliocêntrica (HEO) ⇒ São órbitas elípticas (ovais) , em número de 4 , onde as alturas em relação à superfície da terra são

variáveis . Existem 2 regiões particulares ; uma onde a altura é máxima – APOGEU – e outra onde a altura é mínima –

PERIGEU , com os seguintes valores :

- Apogeu : 40.000 Km

- Perigeu : 500 Km

Os satélites nestas condições apresentam um período de 12 Hs , apresentando um tempo de visibilidade de 8 Hs

Os satélites podem ainda ser classificados , segundo sua área de cobertura , por :

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• Cobertura global

• Cobertura hemisférica

• Cobertura por zona

• Cobertura SPOT

Cada uma destas projetada dependendo da aplicação desejada . A cobertura global é a que atende maior área , enquanto que a

cobertura SPOT (ou focal) atende a menor área .

A concentração de energia está relacionada com a área de cobertura; assim , enquanto na cobertura global existe uma menor densidade de energia , na cobertura SPOT a densidade de energia é maximizada . Abaixo segue um exemplo de um foot – print SPOT de um satélite

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Configuração de uma estação terrena

As estações terrenas são o segundo elemento básico do sistema de comunicação via satélite , podendo assumir as mais diversas

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configurações , variando em seu tamanho , funções sofisticação e custo .

Entretanto , alguns blocos básicos são comuns na maioria das estações terrenas , como amplificadores de baixo ruído ,

amplificadores de potência , conversores de subida/descida , moduladores , demoduladores , encoders/decoders (dados) , etc . Basicamente , o desempenho de uma estação terrena é avaliado por 2 parêmetros : A potência efetivamente transmitida para o satélite (EIRP) e a relação ganho/temperatura de ruído (G/T) .

Exemplificamos a seguir uma configuração básica de uma estação terrena para transmissão de dados .

As estações terrenas são apontadas para o satélite segundo um ângulo de elevação e azimute que depende das coordenadas geográficas da estação e da posição do satélite .

Para cálculo do ângulo de elevação , considerando-se a estação localizada no hemisfério sul e longitude oeste , tem-se :

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Onde :

• φS - É a longitude do satélite (ângulo tomado em relação ao meridiano de Grenwich)

• φT - É a longitude da estação terrena (idem anterior)

• θT - É a latitude da estação terrena (ângulo tomado em relação ao equador)

O ângulo de azimute pode ser determinado por :

Sendo que : • Se φ S ≤ φT ⇒ Â = Â’ • Se φS > φT ⇒_{Â = Â’ + 360}0 E para a condição de θT = 00 • φS > φT ⇒ Â = 2700 • φS < φT ⇒ Â = 900

Sendo que Â é o ângulo de azimute da antena em relação ao norte geográfico , medido no sentido horário .

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**OBS : Lembrando-se que existe uma defasagem entre norte

magnético e norte geográfico de 180 , obedecendo a seguinte relação

:

• Nm = Ng + 180

Análise do enlace

Num enlace via satélite , assim como em qualquer outro sistema de comunicação , tem-se o objetivo de obtenção de qualidade e

confiabilidade na transmissão das informações .

Por este motivo , é sempre conveniente determinarmos a relação portadora/ruído do sistema .

No caso de um enlace via satélite , onde temos 2 enlaces particulares envolvidos – UPLINK e DOWNLINK- Abordaremos inicialmente o UPLINK .

A relação portadora/ruído (C/N) do uplink pode ser determinada por:

(C/N)

_u

=

(EIRP)u + (G/T)u - Ae - 10log(K . B)

Onde :

•

(C/N)

u

⇒

Relação portadora/ruído do uplink

•

(EIRP)u

⇒

_{EIRP do uplink}

•

(G/T)u ⇒ É a relação entre o ganho e a temperatura equivalente

de ruído do sistema de recepção do satélite .

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•

K . B ⇒ Produto da constante de Boltzman pela largura de faixa

do sistema

A atenuação do espaço livre pode ser calculada pela mesma expressão definida no capítulo 2 , para enlaces de microondas . A distância entre a estação terrena e o satélite pode ser calculada por: Onde : • d : Distância em Km • X1 : 1.826.501.965 Km2 • X2 : 539.055.804 Km 2

Existe um outro parâmetro que devemos analisar num satélite , que é a DENSIDADE DE FLUXO DE SATURAÇÃO , que é a densidade de fluxo necessária para produzir a máxima potência de saída do transponder (potência de saturação) , considerando-se 1 única portadora . Este parâmetro pode ser obtido por :

Ψ

= (4.

π

.EIRP) / (A

e

.

λ

2

)

Ψ : Densidade de fluxo , dada em W/m2

Nos sistemas via satélite , a potência disponível para o down link é limitada . Portanto , a tendência é que se trabalhe

(C/N)

d

=

(EIRP)d.sat - BOo + (G/T)d - Ae - 10log(K . B)

A relação portadora/ruído total do sistema pode ser determinada através de :

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(C/N)

t

= [(C/N)

u-1

+ (C/N)

d-1

]

-1

É imortante observarmos que à medida em que a relação potência do transponder se aproxima da potência de saturação do mesmo ,

estaremos melhorando a relação C/N tanto para o UPLINK quanto para o DOWNLINK .

Técnicas de múltiplo acesso

As técnicas de múltiplo acesso permitem que os recursos disponíveis sejam utilizados de forma mais eficiente .

As técnicas de múltiplo acesso mais usuais são :

• Múltiplo acesso por divisão de frequência (FDMA)

• Múltiplo acesso por divisão de tempo (TDMA)

• Múltiplo acesso por divisão de código (CDMA)

Em qualquer um dos casos acima , existem 2 formas básicas de alocação de recursos de comunicações para as estações ;

• Pré-alocação

• Alocação por demanda

Na pré-alocação , os recursos são designados para as estaçõese permanecem fixos .

Na alocação por demanda , os recursos são alocados às estações em função da demanda de tráfego em cada uma delas .

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FDMA

É o processo onde cada estação , envia suas informações ao satélite por meio de frequências diferentes.

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Várias estações podem acessar o satélite , cada uma funcionando com uma frequência diferente , desde que o conjunto não ultrapasse a largura de faixa do transponder (SCPC) ou através de uma

multiplexação FDM dos canais , para cada estação , onde o conjunto obtido modula a portadora que é envida para o satélite (MCPC) .

• MCPC – FDM/FM

Neste sistema , os sinais provenientes dos diversos canais de voz são multiplexados em frequência (FDM)

Conforme a figura a serguir , 5 grupos básicos de 12 canais (B,C,D,E,F) formam um super grupo básico .

Este super grupo básico modula então uma portadora (em FM ) que é transmitida ao satélite .

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Cada grupo básico tem destino diferente , entretanto todas as

estações recebem o super grupo básico enviados por A , demodulam o sinal e através de um MUX retiram o seu grupo endereçado .

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⇒ _{Vantagens do acesso MCPC – FDM/FM}

- Grande simplicidade

- Baixo custo

- Boa confiabilidade

⇒ _{Desvantagens do acesso MCPC – FDM/FM}

- Perda de BW devido à faixa de guarda entre canais que

ocupam o transponder

- Intermodulação devido à presença de diversas portadoras em

transponders que apresentam não-linearidade

- Técnica pouco apropriada para alocação por demanda .

• MCPC – TDM/PSK

Os sinais a serem transmitidos são transformados em sinais digitais , em geral , um sinal PCM/TDM , que modula uma portadora que é transmitida para o satélite .

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Tem pouco interesse prático para este tipo de sistema é baixo , uma vez que o transponder é compartilhado , reduzindo a largura de faixa disponível .

• SCPC – FM

Cada canal a ser transmitido modula uma portadora em FM , que é transmitida para o satélite .

• SCPC – PSK

Neste sistema , cada canal a ser transmitido (voz digitalizada ou dados) modula uma portadora em PSK , que é transmitida para o satélite .

Este sistema possui a vantagem de ser facilmente utilizado na forma de alocação por demanda . Nesta técnica de alocação , as diversas frequências das portadoras disponíveis vão sendo alocadas à medida que as estações desejam transmitir . Temos como exemplo os

sistemas DAMA e SPADE , como exemplo de SCPC alocados por demanda .

⇒ _{DAMA (Demand assignement multiple access)}

É um sistema SCPC normalmente controlado por uma estação-mestre .

A estação-mestre assume a responsabilidade de atribuir um circuito duplex necessário para permitir o tráfego entre 2 estações remotas .

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A estação remota que inicia a chamada solicita à estação de controle um circuito duplex .

a estação de controle identifica a estação requisitante e a estação para onde deve se dirigir a chamada e verifica a disponibilidadede circuitos nas estações e no satélite .

Havendo disponibilidade , a estação de controle atribui um circuito duplex entre as 2 estações terminais .

Este esquema é adequado para estações de pequeno porte , com intensidade de tráfego baixa . Sendo assim , este sistema apresenta baixo custo , uma vez que pode utilizar antenas de diâmetro

reduzido (baixa capacidade) .

A desvantagem é que o mesmo não é adequado para intensidades de tráfego médias ou altas .

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⇒ _{SPADE (Single-channel-per-carrier PCM multiple acess}

Demand assignement Equipament)

É na realidade um sistema DAMA que utiliza controle distribuído . As principais características são ;

• O sinal de voz é digitalizado , atingindo uma taxa final de 64 Kb/s

• Modulação da portadora de transmissão em QPSK

• A BW disponível para cada canal é 45 KHz

• As portadoras são alocadas dinamicamente por demanda

• A gerência de alocação é distribuída através de um canal de

sinalizaçào comum (Comom Signaling Channel – CSC)

TDMA

Na técnica TDMA , cada estação só pode transmitir durante intervalos de tempo chamados SLOTS .

Neste caso , durante seu intervalo de tempo , a estação utiliza toda a largura de faixadisponível no transponder para comunicação .

Desta forma , as estações transmitem suas mensagens em BURST (rajadas) . O transponder então recebe uma série de bursts , cada um proveniente de uma estação do sistema e o mesmo os retransmite para a terra .

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Todas as estações participantes do sistema recebem o conjunto de burst retransmitidos e cada um adquire apenas o burst destinado à ela .

O conjunto composto por cada burst de cada estação é chamado de FRAME (quadro) . Um frame normalmente inicia-se com dois

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bursts de referência (RB1 e RB2) por uma estação de referência , pré-definida . Podemos dizer então que no primeiro frame temos o primeiro burst de cada estação , no segundo frame o segundo burst de cada estação e assim sucessivamente .

O tempo de um burst que está tipicamente entre 0,75 e 20 ms , para o serviço de voz . Usualmente este tempo é um múltiplo de 0,125 ms, que é o tempo de amostragem de um sistema PCM (amostragem de 8 KHz) . Entre os diversos burst que compõem o frame existe um intervalo de tempo denominado intervalo de guarda . Este intervalo de tempo garante que não ocorrerá superposição de bursts , mesmo que ocorra pequenas diferenças de temporização entre as estações .

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