Guilherme Marques Mattos
Redes de Acesso em Banda Larga utilizando Sistemas
VSAT e WiFi
Dissertação de Mestrado
Dissertação apresentada como requisito parcial
para obtenção do título de Mestre pelo Programa
de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da
PUC-Rio.
Orientador: Prof. Luiz A. R. da Silva Mello
Rio de Janeiro
Abril de 2006
Guilherme Marques Mattos
Redes de Acesso em Banda Larga
Utilizando Sistemas VSAT e WiFi
Dissertação apresentada como requisito parcial
para obtenção do grau de Mestre pelo Programa
de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica do
Departamento de Engenharia Elétrica do Centro
Técnico Científico da PUC-Rio. Aprovada pela
Comissão Examinadora abaixo assinada.
Prof. Luiz Alencar Reis da Silva Mello
Orientador
Centro de Estudos em Telecomunicações - PUC-Rio
Prof. Erasmus Couto Brazil de Miranda
UCP
Profa. Marlene Sabino Pontes
Centro de Estudos em Telecomunicações - PUC-Rio
Prof. Rodolfo Sabóia Lima de Souza
Centro de Estudos em Telecomunicações - PUC-Rio
Prof. José Eugenio Leal
Coordenador Setorial do Centro
Técnico Científico - PUC-Rio
Rio de Janeiro, 12 de abril de 2006
Todos os direitos reservados. É proibida a reprodução total ou parcial do trabalho sem autorização da universidade, do autor e do orientador.
Guilherme Marques Mattos
Engenheiro de Telecomunicações graduado pela Universidade Federal Fluminense – UFF em 2003. Cursou a Pós-Graduação em Redes de Computadores pela PUC/RJ, tendo concluído a especialização em 2004 com trabalho final voltado para o estudo de aplicações VoIP em redes via satélite. Atualmente, é Especialista Satélite pela Star One/Embratel/Telmex, onde desenvolve atividades de coordenação e gerência de projetos especiais na área de engenharia da empresa.Ficha Catalográfica
CDD: 621.3 Mattos, Guilherme Marques
Redes de acesso em banda larga utilizando sistemas VSAT e WiFi / Guilherme Marques Mattos; orientador: Luiz A. R. da Silva Mello. – Rio de Janeiro: PUC, Departamento de Engenharia Elétrica, 2006.
172 f. : il. ; 30 cm
Dissertação (mestrado) – Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Departamento de Engenharia Elétrica.
Inclui referências bibliográficas.
1. Engenharia elétrica – Teses. 2. VSAT. 3. WiFi. 4. Satélite. 5. 802.11. 6. Metodologia. 7. Projeto. I. Mello, Luiz A. R. da Silva II. Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. Departamento de Engenharia Elétrica. III. Título.
Aos meus sempre amados pais, Raimundo José e Maria de Fátima, por toda dedicação, apoio, confiança e coragem passadas durante os momentos difíceis enfrentados na realização deste curso e trabalho.
Agradecimentos
Ao meu Orientador Professor Silva Mello, M.Sc. pelo estímulo, dedicação e parceria para o desenvolvimento deste trabalho.
Aos meus colegas do Curso de Mestrado em Eletromagnetismo Aplicado da PUC-RJ pelo companheirismo presente durante os estudos.
À todos aqueles com os quais convivo no ambiente da StarOne/Embratel e que muito contribuem no meu conhecimento.
Aos meus queridos pais Raimundo José e Maria de Fátima, pela educação, amor, motivação, carinho e atenção em todos os momentos.
Aos meus irmãos Patrícia e Gustavo pela paciência e auxílio na compreensão de alguns textos em línguas estrangeiras.
À minha querida namorada Ellen e sua mãe Solange pela compreensão, amor e o constante apoio prestados durante o desenvolvimento deste trabalho. À todos os amigos que de uma forma ou de outra me estimularam ou me ajudaram.
Ao CCE, à PUC-RJ e seus professores pelo profissionalismo e conhecimento passados durante todo o curso.
Mas acima de tudo à Deus, que me deu plena força para enfrentar as dificuldades durante todo o curso e ao qual me apoiei e busquei abrigo quando me foi preciso, e nunca me faltou.
Resumo
Mattos, Guilherme Marques. Redes de Acesso em Banda Larga
utilizando Sistemas VSAT e WiFi. Rio de Janeiro, 2006. 172p.
Dissertação de Mestrado - Departamento de Engenharia Elétrica, Pontifícia
Universidade Católica do Rio de Janeiro.
As Redes de Acesso em Banda Larga utilizando Sistemas VSAT e WiFi
são uma forma de atender à demanda por informação a todo tempo e lugar;
demanda esta que tem se tornado a grande mudança nos últimos tempos no meio
das Telecomunicações. O acesso à informação passa a ser exigido nas mais
longínquas localidades, onde a infra-estrutura terrestre se mostra quase que
totalmente ausente. Aí se enquadram as redes VSAT (Very Small Apperture
Terminal
) que permitem este acesso através de uma rede via satélite capaz de
oferecer cobertura à grandes dimensões geográficas. Da mesma forma, a
informação precisa ser obtida a todo tempo, e desta maneira, as redes WiFi se
apresentam como a forma com que o usuário pode ter a informação mesmo
enquanto aguarda seu vôo no saguão de um aeroporto, ou enquanto desfruta de
um jantar em um restaurante, ou no caso de corporações que procuram agilizar a
difusão dos dados entre seus profissionais através da mobilidade. Este trabalho
procura portanto, estudar as características dos sistemas e da propagação das
ondas rádio para as redes VSAT em banda Ku e Wi-Fi (Wireless Fidelity) nas
faixas de 2,4GHz e 5,2GHz em ambientes abertos (outdoors) e fechados
(indoors); propor o desenvolvimento de uma metodologia de planejamento de
projeto de redes VSAT-WiFi e sua aplicação em um caso prático, o que permite
a conclusão de que um correto planejamento de projeto deve ser executado para
que resultados eficientes e de qualidade possam ser alcançados.
Palavras-chave
VSAT;WiFi;satélite;802.11; metodologia;projeto
Abstract
Mattos, Guilherme Marques. Broadband Network Access using VSAT
and WiFi Systems. Rio de Janeiro, 2006. 172p. MSc. Dissertation –
Electric Engeneering Department, Pontifícia Universidade Católica do Rio
de Janeiro.
Broadband Network Access using VSAT and WiFi Systems are one way
to attend the demand for information in every time and place; where this
demand, has been turning into a big change in Telecomunications’ field. The
access to information starts to be required in the farthest places, where the
terrestrian infra-estructure shows itself almost totally missed. It´s included the
VSAT networks (Very Small Apperture Terminal) that offer access for
information through a capable satellite network that gives coverage to huge
geographic areas. By the same way, the information has got to be gathered at any
time and this way, WiFi networks shows itself as the way the user can obtain
information, even if while waiting his flight at the airport, or while enjoying a
dinner in a restaurant, or in the case of corporations making faster the data
sending among their professionals through mobility. The goals of this
dissertation are the study of systems characteristics and propagation of the radio
waves for the VSAT (Ku band) and Wi-Fi (Wireless Fidelity) networks (2,4GHz
and 5,2GHz) in outdoors and indoors areas; the development of a methodology
to planning projects for VSAT-WiFi networks and its application in a study case
that permits a conclusion of a correct project planning must be done to efficient
and good results can be reached.
Keywords
VSAT;WiFi;satellite;802.11; metodology;project
Sumário
Introdução 15
2 Sistemas via Satélite 17
2.1 Lançamento de um satélite 19
2.2 Componentes de um satélite 20
2.3 Principais órbitas para operação 23
2.4 Faixas de frequências operacionais 25
2.5 Histórico das comunicações via satélite 27
2.6 Sistemas VSAT 30
2.6.1 Componentes de um sistema VSAT 32
2.6.2 Principais técnicas de acesso 33
2.6.3 Aplicações das VSATs 37
2.6.4 Vantagens e desvantagens da tecnologia VSAT 37
3 Propagação em sistemas via satélite 39
3.1 Enlace de comunicação via satélite 39
3.2 Enlace de uplink 41
3.3 Terra-Espaço 47
3.4 Satélite 50
3.5 Espaço-Terra 51
3.6 Estação Terrena 52
4 Redes sem fio 59
4.1 Redes Locais 59
4.1.1 O padrão IEEE 802 59
4.2 Redes locais sem fio 60
4.2.1 Tecnologias wireless 61
4.2.2 Histórico das redes sem fio 62
4.2.3 Redes 802.11 63
4.2.4 Vantagens e desvantagens das redes sem fio para as cabeadas 64
4.2.5 Componentes de WLANs 66
4.2.6 Topologias de Wireless LAN 69
4.2.7 Segurança em WLANs 74
4.2.8 Camada MAC 76
4.2.9 Camada Física 79
5 Propagação em redes WiFi 98
5.1 Caracterização do canal rádio 99
5.1.1 Dependência com a distância 99
5.1.2 Variabilidade de larga escala 101
5.1.3 Variabilidade de pequena escala 102
5.1.4 Espalhamento do retardo 103
5.1.5 Outros mecanismos e efeitos de propagação 105
5.2 Modelos de Propagação 108
5.2.1 Modelos Teóricos 108
5.2.2 Modelos Semi-empíricos 113
6 Metodologia de projeto e simulação de caso 118
6.1 Metodologia de projeto 118
6.1.1 Rede WiFi 119
6.1.2 Rede VSAT 120
6.2 Simulação 123
6.2.1 Estudo da Rede WiFi 125
6.2.2 Estudo da Rede VSAT 133
6.3 Premissas de tráfego da rede 134
6.4 Dimensionamento da rede 135
6.5 Dimensionamento de segmento espacial 136
6.6 Projeto de RF 154 6.7 Custos 155 6.8 Considerações 156 7 Conclusão 157 8 Referências bibliográficas 159 Glossário 163
Lista de figuras
Figura 2.1 – Exemplo de footprint 18
Figura 2.2 – Exemplo satélite Boeing 376 18
Figura 2.3 – (a) Exemplo Boeing 601 (b) Exemplo Boeing 702 19 Figura 2.4 – (a) Plataforma de lançamento marítima 20 Figura 2.4 – (b) Exemplos de veículos lançadores 20
Figura 2.5 – Alguns componentes dos satélites 22
Figura 2.6: Diagrama em blocos básico do satélite 22 Figura 2.7: Diagrama em blocos básico do transponder 22
Figura 2.8: Esquema da Órbita Geoestacionária 24
Figura 2.9: Distribuição dos satélites GEO ao redor da Terra 25 Figura 2.10: Componentes de um sistema via satélite 26 Figura 2.11: Arquitetura convencional para redes VSAT 31
Figura 2.12: Topologia em Estrela 31
Figura 2.13: Estação Terrena ou Teleporto onde a HUB fica localizada 31
Figura 2.14: Componentes da rede VSAT 32
Figura 2.15: Componentes de um terminal VSAT 33
Figura 2.16: Rede VSAT DAMA/SCPC típica 36
Figura 2.17: Esquema de rede VSAT TDM/TDMA típica 37 Figura 3.1: Diagrama geral de um enlace satélite 40 Figura 3.2: Elementos de subida em uma Estação Terrena 40 Figura 3.3: Elementos básicos de um satélite de comunicação 40 Figura 3.4: Elementos de descida em uma Estação Remota 40
Figura 3.5: Níveis de potência no uplink 41
Figura 3.6: Curva de transferência de um amplificador do tipo TWT 43
Figura 3.7 – Ganho da antena 44
Figura 3.8 – EIRP em 14,25GHz 45
Figura 3.9 – Atenuação em espaço livre para satélites geo-estacionários 48 Figura 3.10 – Posição da estação terrena em relação ao satélite 48
Figura 3.11 – Perdas atmosféricas 49
Figura 3.12 – Influências sobre Ts de um sistema de recepção 53 Figura 3.13 – Temperatura de ruído troposférico 54
Figura 3.14 – Temperatura de ruído versus atenuação por chuvas intensas 55 Figura 3.15 – Temperatura de ruído devido à presença do Sol 56 Figura 3.16 – G/Ts versus Ts para diversas antenas 57 Figura 3.17 – Figura de mérito para a faixa de 11,7GHz 58 Figura 4.1 - Relação entre os padrões IEEE 802 e OSI 60
Figura 4.2 – Access Point 66
Figura 4.3 – Antenas externas 67
Figura 4.4 – Wireless Bridge 68
Figura 4.5 – Workgoup Bridge 68
Figura 4.6 – Client Adapters 69
Figura 4.7 - Rede sem fio ponto-a-ponto 69
Figura 4.8 - Cliente e Ponto de Acesso 70
Figura 4.9 - Configuração com superposição celular 71
Figura 4.10 - Configuração Multi-Hop 71
Figura 4.11 - Utilização de Antenas Direcionais 72 Figura 4.12 – Topologia Infra-estrutura (configuração multicelular) 72
Figura 4.13 – Troca de quadros RTS/CTS 79
Figura 4.14 – Frequency Hopping Spread Spectrum 80
Figura 4.15 – Utilização do Chipping Code 81
Figura 4.16 – Influência do sinal interferente 81
Figura 4.17 – Sobreposição de canais DSSS 82
Figura 4.18 – Espectro das sub-portadoras OFDM 87
Figura 4.19 – Esquema de modulação 802.11b com CCK 90 Figura 4.20 – Canalização do padrão IEEE 802.11 no Brasil (2,4GHz) 97 Figura 5.1 - Perda mediana em relação à distância 100
Figura 5.2 - Representação do Ponto de quebra 100
Figura 5.3 - Variabilidades de pequena e larga escala 102 Figura 5.4 - Exemplo de Multipercurso em Ambiente Indoor 104 Figura 5.5 - Resposta para um Retardo por Espalhamento de 300 ns 104 Figura 5.6 - (a) Reflexão e Refração, (b) Difração, (c) Espalhamento 107
Figura 5.7 - Ilustração do modelo de 2 raios 110
Figura 5.8 - Reflexão em superfície rugosa (espalhamento) 111 Figura 5.9 - Ilustração do modelo de 6 raios (vista superior do ambiente) 112
Figura 6.1 – Metodologia de projeto VSAT-WiFi 123
Figura 6.2 – Distribuição das localidades 124
Figura 6.3 – Diagrama da rede VSAT-WiFi 124
Figura 6.4 – Ambiente de escritório 126
Figura 6.5 – Cobertura AP1 127
Figura 6.6 – Cobertura AP2 127
Figura 6.7 – Cobertura AP3 128
Figura 6.8 – Canalização do padrão IEEE 802.11 no Brasil (2,4GHz) 131 Figura 6.9 – Parâmetros de uplink da Estação Master 137 Figura 6.10 – Parâmetros de downlink da estação remota 138
Figura 6.11 – Modelo de chuvas 139
Figura 6.12 – Características do satélite 140
Figura 6.13 – Características das portadoras 141
Figura 6.14 – Resultados (a) 142
Figura 6.15 – Resultados (b) 143
Figura 6.16 – Resultados (c) 144
Figura 6.17 – Resultados (d) 145
Figura 6.18 – Resultados (e) 146
Figura 6.19 – Parâmetros de uplink da Estação Remota 147 Figura 6.20 – Parâmetros de downlink da Estação Master 147
Figura 6.21 – Modelo de chuvas 148
Figura 6.22 – Características do satélite 148
Figura 6.23 – Características das portadoras 149
Figura 6.24 – Resultados (a) 149
Figura 6.25 – Resultados (b) 150
Figura 6.26 – Resultados (c) 151
Figura 6.27 – Resultados (d) 152
Figura 6.28 – Resultados (e) 153
Figura 6.29 – Exemplo de cobertura e dimensionamento das remotas 154
Lista de tabelas
Tabela 2.1 - Classificação orbital versus distância em relação à Terra 25
Tabela 2.2 - Principais faixas de frequências 26
Tabela 3.1 – Tipos de amplificadores 43
Tabela 3.2 – Temperatura efetiva de ruído da antena para chuvas intensas 55 Tabela 3.3 – Temperatura da linha versus atenuação da linha 57 Tabela 3.4 – Valores típicos para Ts em 11,7GHz 58
Tabela 4.1 - Padrões de camada física e MAC 60
Tabela 4.2 – (a) Padrões de redes sem fio 61
Tabela 4.2 – (b) Padrões de redes sem fio 62
Tabela 4.3 – Resumo dos padrões IEEE 802.11 64
Tabela 4.4 – (a) Canais DSSS 81
Tabela 4.4 – (b) Canais DSSS 82
Tabela 4.5 - Comparativo entre DSSS e FHSS 83
Tabela 4.6 – Mapeamento na modulação PPM 85
Tabela 4.7 – Valores do campo rate 86
Tabela 4.8 – Configurações para o 802.11a 87
Tabela 4.9 – Canalização do 802.11a 88
Tabela 4.10 – Níveis de potência do 802.11a 89
Tabela 4.11 – Configurações para o 802.11b 90
Tabela 4.12 – Canalização do 802.11b 91
Tabela 4.13 – (a) Níveis de potência do 802.11b 91 Tabela 4.13 – (b) Níveis de potência do 802.11b 92 Tabela 4.14 – Resumo das configurações para os padrões 802.11 93 Tabela 4.15 – Canalização do padrão IEEE 802.11 no Brasil (2,4GHz) 97
Tabela 5.1 - Retardo por Espalhamento 105
Tabela 5.2 - Perdas de penetração em obstáculos em 2,4GHz 105
Tabela 5.3 - Coeficiente de atenuação 114
Tabela 5.4 - Coeficiente de atenuação por piso atravessado 115 Tabela 5.5 - Desvio padrão da distribuição log-normal 115 Tabela 5.6 - Valores do Fator de Penetração da Parede 116 Tabela 5.7 - Perdas de penetração em obstáculos 117 Tabela 6.1 – Resumo descritivo das atividades (a) 121 Tabela 6.1 – Resumo descritivo das atividades (b) 122
Tabela 6.2 – Legenda dos ambientes 126 Tabela 6.3 – (a) Relação pontos x potência x distância ao AP1 128 Tabela 6.3 – (b) Relação pontos x potência x distância ao AP1 129 Tabela 6.3 – (c) Relação pontos x potência x distância ao AP2 129 Tabela 6.3 – (d) Relação pontos x potência x distância ao AP3 129 Tabela 6.4 – Valores usuais de tráfego médio de usuário 132
Tabela 6.5 – Premissas de tráfego 132
Tabela 6.6 – Distribuição das remotas 134
Tabela 6.7 – Dimensionamento de rede 135
Tabela 6.8 – Dados do satélite NSS7 136
Tabela 6.9 – Resultados consolidados 153
Tabela 6.10 – Custos estimados do projeto WiFi 155 Tabela 6.11 – Custos estimados do projeto VSAT 155
Introdução
As corporações têm procurado atualmente otimizar a sua forma de comunicação ao mesmo tempo em que reduzem os custos associados a qualquer mudança nesse sentido. O avanço da tecnologia de comunicação sem fio, por meio de ondas rádio, tem se apresentado bastante adequada pois é capaz de oferecer baixo custo de implementação diante das soluções até então empregadas por meio de cabos e conexões que, além disto, obrigam a interrupção das atividades desenvolvidas pelos profissionais quando há necessidade de deslocamento.
Além do ponto crucial que diz respeito ao custo, a mobilidade tem sido alcançada muito facilmente por meio desta tecnologia, o que tem tornado mais ágil o ambiente de trabalho. Esta mobilidade talvez represente o mais recente passo no que se refere à liberdade tão desejada pelas pessoas, e há tempos vem ocorrendo uma gradativa evolução através dos sistemas de acesso remoto, via web, etc. Além das redes wireless, as redes celulares têm apresentado um papel fundamental neste processo de mudança de conceito na troca de informação, porém, ainda não atendem de forma completa à demanda por comunicação de dados, com seu foco ainda voltado ao tráfego de voz.
Da mesma forma, o crescimento da tecnologia VSAT (Very Small Apperture Terminal) que provê acesso local por meio de redes via satélite se acelerou fortemente nos últimos anos, quando diversas redes baseadas neste tipo de solução surgiram ao redor do mundo, inclusive no Brasil, onde a empresa pioneira foi a Star One, do Grupo Embratel. O foco foi atender à demanda por dados, voz e vídeo existente principalmente em localidades não servidas por infra-estrutura terrestre, como é o caso do interior do país, onde existe um grande número de fazendas, pousadas e cooperativas que necessitam de algum tipo de acesso à Internet, por exemplo.
Este trabalho procura mostrar em seu segundo capítulo, uma visão geral sobre a tecnologia VSAT introduzida recentemente no Brasil para acesso local principalmente em áreas pouco urbanizadas. São abordadas também as vantagens e desvantagens deste sistema, suas arquiteturas e componentes. No mesmo capítulo, são apresentados alguns dos aspectos mais importantes para o
planejamento de sistemas VSAT, como interferências, polarização, diversidade de antenas, tráfego, etc.
O terceiro capítulo apresenta alguns dos principais modelos de propagação usados para comunicações via satélite do tipo VSAT na faixa de frequências denominada de banda Ku.
O quarto capítulo apresenta uma visão geral da tecnologia das redes wireless, padronizadas segundo o 802.11 do IEEE, abordando suas vantagens e desvantagens sobre as redes cabeadas convencionais, algumas discussões sobre segurança, topologias e tipos de equipamentos envolvidos. É apresentado ainda, alguns aspectos importantes para o planejamento de sistemas wireless, como interferências, polarização, diversidade de antenas, tráfego, englobando as camadas física e de enlace segundo o modelo OSI. Este capítulo procura enfatizar as características mais importantes para ambientes indoor e outdoor.
O quinto capítulo apresenta alguns dos principais modelos de propagação determinísticos e semi-empíricos, utilizados para ambientes abertos e fechados, bem como uma caracterização do canal de rádio-propagação, que é a base para compreender os efeitos previstos pelos modelos.
O sexto capítulo, principal contribuição do trabalho, apresenta uma metodologia de projeto de redes VSAT-WiFi mostrando o passo-a-passo das análises e tarefas necessárias para a realização de um bom projeto, desde o seu planejamento de cobertura e dimensionamento de tráfego até sua implantação. O capítulo é finalizado com uma simulação abordando questões práticas de um projeto de uma rede VSAT-WiFi onde procurou-se aplicar todos os pontos vistos neste trabalho.
2
Sistemas via Satélite
Em sua definição, um satélite é um corpo físico que gira em torno de um grande objeto, assim como a Lua (satélite natural) que gira em torno da Terra. Existem também os satélites desenvolvidos por cientistas e engenheiros que giram ao redor de nosso planeta realizando diversas tarefas.
Os satélites são portanto, dispositivos posicionados em algum lugar no espaço e têm sua funcionalidade determinada de acordo com o tipo de aplicação para o qual foram desenvolvidos. Assim, satélites militares têm como objetivos a telecomunicação, observação, alerta avançado, ajuda à navegação, como o GPS (Global Positioning System), e reconhecimento.
Já os satélites voltados ao meio científico, englobam os meteorológicos, os de exploração do universo e os de coleta de dados da Terra, como exemplificado anteriormente. Os meteorológicos visam a óbvia tarefa de identificação do clima, possibilitando a prevenção de mortes por desastres naturais como furacões ou tempestades. Já os de exploração do universo, têm seu alvo voltado justamente para a exploração do espaço a fim de obter mais conhecimento da Terra, do sistema solar e do universo como um todo. Já os de coleta de dados, visam a elaboração de informações sobre fenômenos físicos, químicos e biológicos da superfície da Terra e da atmosfera, através de uma gama infinita de sensores.
Por fim, os satélites de comunicação que são utilizados na transmissão de informações (voz, dados e vídeo) por todo o mundo. Esses tipos de satélites podem ter acessos múltiplos, isto é, servir simultaneamente a diversos usuários de localidades ou mesmo de países ou continentes diferentes.
Independente do tipo de aplicação, o sinal encaminhado por um satélite pode cobrir uma área restrita sobre a superfície da Terra, como por exemplo, cobrir somente um determinado conjunto de ilhas na Indonésia. Há possibilidade inclusive de se direcionar feixes distintos para localidades distintas também. A área coberta por um satélite é também chamada de footprint, e é representada de maneira bastante simplificada na Figura 2.1 [53].
Figura 2.1 – Exemplo de footprint
A Figura 2.2 [53] mostra um tipo de satélite, o da empresa Boeing, modelo 376, que é utilizado principalmente para difusão de sinais de TV. A Família Brasilsat (controlada pela operadora StarOne/Embratel), assim chamado o conjunto de satélites brasileiros atualmente em órbita, utiliza este tipo de artefato.
Figura 2.2 – Exemplo satélite Boeing 376
Outros tipos de satélite da mesma empresa são apresentados na Figura 2.3 [53], como o Boeing 601 e o Boeing 702, que são responsáveis pela difusão de sinais de TV para terminais remotos com antenas de pequena abertura, tais como as do serviço oferecido pela DIRECTV ou Sky. Além deste serviço, voz, fax e dados trafegam por ele.
A título de curiosidade, um satélite como o Boeing 601 possui cerca de 4m de altura quando compactado (stowed) e 26m quando em operação no espaço (deployed), pesando aproximadamente 1.700Kg. Já os similares ao modelo 702, medem 7m compactados, 40m em operação e pesando cerca de 3.000Kg.
Figura 2.3 – (a) Exemplo Boeing 601 (b) Exemplo Boeing 702 2.1
Lançamento de um satélite
Um satélite é lançado por um veículo lançador que é levado ao espaço por meio de foguetes. Poucos lugares no mundo são pontos de lançamento de satélites, alguns exemplos são o Cabo Canaveral na Flórida, Kourou na Guiana Francesa, Xichang na China e Baikonur no Cazaquistão. Os melhores lugares para se lançar um satélite são próximos ou no próprio oceano pois se algum acidente ocorrer, eles caem em água e não em terra.
Para se colocar um satélite em órbita, diversas companhias de diferentes países precisam trabalhar juntas para que tudo esteja coordenado e o mais imune possível a erros durante todo o processo de lançamento.
No lançamento, os foguetes carregam o satélite até o espaço quando então se desprendem e o veículo lançador passa a direcionar os movimentos por mais algum tempo. Em seguida, ele também se solta e os motores acoplados ao próprio satélite passam a controlar sua posição, buscando colocá-lo em perfeita órbita, o que leva vários dias. No momento em que o satélite se encontra em sua posição definitiva, suas antenas e painéis solares se abrem e ele passa a entrar em operação transmitindo e recebendo sinais.
As Figuras 2.4 (a) e (b) [53], mostram diversos tipos de veículos lançadores.
Figura 2.4 – (a) Plataforma de lançamento marítima
Figura 2.4 – (b) Exemplos de veículos lançadores 2.2
Componentes de um satélite
De uma forma mais técnica, podemos dizer que o satélite é uma estação repetidora de sinais provenientes da Terra. Eles são compostos basicamente por:
Subsistema de propulsão
Inclui todos os motores responsáveis pelo posicionamento do satélite em sua órbita. Os pequenos motores chamados de thrusters também auxiliam neste processo, pois os satélites necessitam de constantes ajustes de posição devido à presença dos ventos solares e das forças gravitacionais e magnéticas que os tiram da posição correta. Por isso, comandos vindos de uma estação de controle na Terra procuram atuar sobre esses pequenos motores.
Subsistema de potência
Gera e armazena a eletricidade em baterias, a partir da energia coletada pelos painéis solares. Fornece potência para todos os demais subsistemas, principalmente quando o Sol não está iluminando o satélite.
Subsistema de comunicação
Manipula todas as funções de transmissão e recepção de sinais vindos da Terra. Aqui estão presentes as antenas e os chamados transponders. Estes transponders são formados por um conjunto de componentes eletrônicos que realizam processamentos com o sinal, tais como sua detecção, o ganho de potência por meio do LNA (Lower Noise Amplifier), a filtragem, a translação de freqüência e sua retransmissão. Um satélite geralmente é composto de vários transponders que atuam como unidades independentes de repetição, cada um ocupando uma faixa exclusiva de freqüências, sendo importante para aumentar a confiabilidade e versatilidade do satélite.
Subsistema de estrutura
Corresponde à estrutura física do dispositivo satélite. Subsistema de controle térmico
Mantém a temperatura do satélite a níveis aceitáveis para o seu correto funcionamento. O excesso de calor é eliminado de forma a não provocar interferência em outro satélite.
Subsistema de controle e posicionamento
Procura manter o footprint em sua correta localização. Caso a cobertura se mova sobre a superfície terrestre, a área descoberta ficará sem os serviços que para ali foram designados. Então, é necessário que este subsistema, alerte o subsistema de propulsão para acionar os thrusters que moverão o satélite para sua correta posição.
Subsistema de comando e telemetria
Fornece maneiras para que uma estação na Terra tenha condições de monitorar e controlar as ações de um satélite. As Figuras 2.5 [53], 2.6 e 2.7 procuram esquematizar estes conceitos.
Figura 2.5 – Alguns componentes dos satélites
Figura 2.6: Diagrama em blocos básico do satélite
Figura 2.7: Diagrama em blocos básico do transponder
2.3
Principais órbitas para operação
Uma órbita é o caminho descrito por um objeto quando girando ao redor de outro, mantendo-se sempre a mesma distância entre eles. Desta forma, quando um satélite é lançado, ele é posicionado em uma órbita ao redor da Terra. A órbita é conseguida pois a gravidade do planeta Terra o mantém a uma certa altura da superfície terrestre. Mas não somente isto; é necessário algum controle vindo da Terra para auxiliar neste posicionamento. Com isso, existem diversos tipos de órbitas, onde as mais conhecidas são:
LEO (Low Earth Orbit)
Os satélites de baixa órbita são aqueles posicionados até 2.000Km da superfície terrestre e devido à sua proximidade, desenvolvem uma velocidade bastante alta, cerca de 28.000Km/h, para evitar que a gravidade da Terra os tire do percurso e os faça se chocar com a superfície. Em uma hora e meia, estes satélites completam uma volta na Terra, ou seja, um ponto na Terra consegue se comunicar com este satélite por cerca de apenas 10 minutos.
Durante muitos anos, os satélites de baixa órbita raramente foram usados em comunicações devido ao fato de que as antenas não mantinham a visada por muito tempo em um único ponto da superfície terrestre. Geralmente eram utilizados com propósitos de sensoriamento científico ou militar durante todos estes anos, mas recentemente alguns projetos, por exemplo, o Iridium os empregou.
MEO (Medium Earth Orbit)
Satélites que distam de 5.000Km a 15.000Km da superfície do planeta estão em uma órbita média. Neste tipo de órbita, um ponto na Terra consegue comunicações com este satélite por cerca de duas horas ou mais, pois entre 4 e 8 horas, uma volta completa é dada ao redor da Terra.
GEO (Geostationary Earth Orbit)
Um satélite, posicionado sobre a linha do Equador e em órbita Geosíncrona ou Geoestacionária, leva cerca de 24 horas para completar uma volta em torno do planeta, o mesmo tempo que a Terra leva para completar seu movimento de rotação. Ou seja, se estes satélites são posicionados de tal forma que giram com a mesma velocidade angular que a Terra, eles estarão portanto parados em relação à um ponto na superfície, e assim, este ponto sempre poderá se comunicar com o satélite 24 horas por dia. Esta órbita, representada
pela Figura 2.8 [55], corresponde a uma distância de aproximadamente 36.000Km da superfície terrestre.
A órbita Geoestacionária é tal que, as forças da Gravidade da Terra e a Centrífuga se equilibram mantendo o satélite a uma mesma distância da superfície, sendo necessários somente alguns ajustes de posicionamento pela Estação de Monitoração de tempos em tempos. A força da Gravidade é criada por grandes massas físicas e faz com que os objetos se aproximem dela. A força Centrífuga é aquela que força os objetos a se distanciarem da massa física sobre a qual estão girando ao redor.
O posicionamento dos satélites no espaço geoestacionário da Terra é dependente da disponibilidade de posições, chamadas de Posições Orbitais. A União Internacional de Telecomunicações (UIT) dividiu o espaço geoestacionário em 180 posições orbitais, cada uma separada da outra por um ângulo de 2° reduzindo ao máximo a interferência mútua entre elas. A utilização de freqüências diferentes poderia solucionar este problema diminuindo a distância entre os satélites, porém o aumento das freqüências, além de ser tecnologicamente custoso por exigir equipamentos muito específicos, também é polêmico devido aos acordos internacionais de utilização das faixas de freqüências.
Figura 2.8: Esquema da Órbita Geoestacionária
A Figura 2.9 [51] a seguir, apresenta o posicionamento dos satélites geoestacionários ao redor do planeta Terra, com algum destaque os dispositivos da companhia Hughes.
Figura 2.9: Distribuição dos satélites GEO ao redor da Terra
Existem ainda os satélites de órbita alta, ou HEO (High Earth Orbit). A Tabela 2.1 abaixo procura resumir os pontos discutidos.
Classificação Distância entre o satélite e a Terra Vida útil do satélite
Órbita Geoestacionária – GEO 36.000 Km
Órbita Alta – HEO Acima de 20.000 Km
15 a 20 anos
Órbita Média – MEO Entre 5.000 Km e 15.000 Km
Órbita Baixa – LEO Até 2.000 Km
7 a 10 anos
Tabela 2.1 - Classificação orbital versus distância em relação à Terra
A vida útil dos satélites é determinada basicamente pela quantidade de combustível nele armazenado. Este é utilizado pelos motores para correção de posicionamento, assim, quando o combustível acaba, o satélite tem sua vida útil encerrada. Na verdade, ele é posto em outra órbita e é inutilizado.
2.4
Faixas de frequências operacionais
Um sistema de comunicações via satélite é composto basicamente pelo satélite e pelas estações rádio base de origem e destino, denominadas de Estações Terrenas. Além destas, ainda podem existir estações responsáveis pelo gerenciamento da comunicação.
Figura 2.10: Componentes de um sistema via satélite
Os enlaces de satélite são formados por transmissões e recepções a partir das Estações Terrenas. São denominados: Enlace de Subida (uplink), toda transmissão que se inicia em uma Estação Terrena; e Enlace de Descida (downlink), a comunicação que parte do satélite. Cada um deles, opera em uma faixa de frequências apropriada, conforme a Tabela 2.2, onde se pode verificar que o downlink e o uplink operam em faixas diferentes, para que seja possível reduzir substancialmente a interferência mútua entre eles.
Banda Faixa do uplink Faixa do downlink Observações Relevantes
L 1.626,5 - 1.645,5MHz 1.646,5 - 1.652,5MHz
1.525 - 1.544MHz 1.545 - 1.551MHz 1.574,4 - 1.576,6MHz
- empregada em aplicações de sensoriamento
C 5.850 - 6.425MHz 3.625 – 4200MHz
- sinais menos sujeitos a interferência de chuva - antenas de grande porte
- maior interferência com sistemas terrestres - maior cobertura
X 7.965 - 8.025MHz 7.315 - 7.357MHz - utilizada no Brasil para comunicações militares
Ku 13,45 – 14,50GHz 10,7 - 11,2GHz 11,45 - 12,20GHz
- antenas de pequeno porte
- menor interferência com sistemas terrestres - menor custo por terminal
- sinais sujeitos a interferência de chuva - menor cobertura
Ka 29,5 – 30,0GHz 19,7 - 20,2GHz - antenas bastante reduzidas
- alta interferência com fenômenos atmosféricos
Tabela 2.2 - Principais faixas de frequências
Cada uma destas faixas é mais recomendada a determinados tipos de aplicações, onde as freqüências mais utilizadas para comunicação via satélite atualmente são as da banda C e banda Ku, que internacionalmente, é a banda mais popular pois permite cursar um tráfego com antenas transmissoras e receptoras menores que as de banda C, devido ao fato das suas freqüências serem mais altas. Entretanto, pelo mesmo motivo, a transmissão em banda Ku é mais suscetível a interrupções causadas pela chuva, por exemplo. Desta forma, a banda C é mais popular em países tropicais, tais como o Brasil. Dependendo da intensidade da chuva, uma interrupção ou degradação do enlace via satélite pode ocorrer, indisponibilizando o serviço prestado. Apesar disto, com a
evolução da tecnologia de comunicação via satélite, já está sendo possível implementar enlaces em Banda Ku nesses países.
A banda C, atualmente com menos uso em novos projetos, foi a primeira a ser explorada comercialmente devido a sua cobertura ser mais ampla. Esta banda apresenta elevada interferência terrestre dificultando, principalmente, a recepção, já que os enlaces de microondas operam nesta mesma faixa.
A banda Ka, além de sofrer a interferência da chuva utiliza uma banda de freqüências muito altas. Por este motivo, os equipamentos utilizados para a banda Ka são muito caros e de difícil desenvolvimento.
O maior inconveniente da transmissão satélite, o retardo de propagação, foi minimizado com códigos corretores de erro poderosos (FEC - Forward Error Correction), que diminuíram bastante o número de retransmissões de mensagens. A diferença básica entre transmissão de dados terrestre e via satélite é exatamente o retardo de propagação. O sinal de rádio, viajando à velocidade da luz, leva cerca de 270ms para ir da Terra ao espaço geoestacionário e deste de volta à Terra. Uma aplicação que requeira uma transmissão e uma resposta associada (acknowledgment - ACK) leva, portanto, 540ms para ser concluída. Na prática, retardos adicionais nas Estações Terrenas envolvidas acabam levando este retardo total para cerca de 600ms. 2.5
Histórico das comunicações via satélite
A idéia dos satélites de telecomunicações apareceu pouco depois da Segunda Guerra Mundial pelo então oficial de radar Arthur C. Clarke. A idéia original propunha a colocação em órbita de três repetidores separados de 120º sobre a linha do Equador a 36.000Km de altitude. Estes repetidores teriam a finalidade de realizar a comunicação de rádio e televisão a toda parte do globo.
Devido à falta de tecnologia para o lançamento de tais equipamentos, o exército americano fez os primeiros experimentos de propagação de radiocomunicações entre 1951 e 1955 utilizando a Lua, um satélite natural, como refletor passivo. Os experimentos não obtiveram sucesso devido a grande distância existente entre a Terra e a Lua e a falta de tecnologia na época.
O primeiro satélite espacial, o Sputnik 1, realizou a primeira experiência de transmissão e recepção de sinais do espaço, enviando para Terra sinais nas freqüências de 20MHz e 40MHz, o que provava a possibilidade de uma comunicação à longa distância nessas proporções. Apesar dos russos terem sido os primeiros a lançarem um satélite espacial, a História destinou à voz do
Presidente Eisenhower, a honra em ser a primeira voz a ser retransmitida do espaço. Somente no final de 1960, com a troca das baterias por células solares realizou-se uma retransmissão de dados enviados da Terra.
A partir de 1960, concluiu-se que a utilização de satélites artificiais era a melhor opção para as comunicações, sendo abandonado os experimentos dos satélites naturais. Pretendia-se que eles fossem como as torres de repetição de microondas existentes no sistema telefônico. Assim, o primeiro satélite de comunicações propriamente dito foi lançado em 1962, chamado de Telstar 1 e foi o primeiro satélite de utilização comercial. A partir disto, vários outros satélites foram lançados a fim de realizar testes, aperfeiçoamentos e comunicações intercontinentais como forma de atrair atenção e mercado, onde o Syncom 3 destacou-se por ter realizado, ao vivo, a transmissão dos Jogos Olímpicos de 1964.
Em 1965 foi lançado o Intelsat com 240 circuitos telefônicos que, apesar de ter sido projetado para funcionar 18 meses, permaneceu em operação por 4 anos. Ressalta-se que nesta época, década de 70, as antenas de comunicação com os satélites tinham 12m de diâmetro e requeriam elevada potência. No início da década de 80, as antenas ainda possuíam 7 metros e, de lá para cá, o desenvolvimento não parou, tanto no tamanho quanto nas formas de transmissão/recepção, além da compactação dos dados visando a economia de banda.
Ainda nos anos 80, uma companhia americana, a Equatorial, lançou no mercado, com grande sucesso, um sistema de comunicações de dados via satélite unidirecional permitindo a recepção de uma portadora com taxa de informação de 19,2Kbps, em antenas parabólicas de apenas 60cm de diâmetro. Utilizando transmissão satélite em banda C, este feito só foi possível graças ao uso de uma tecnologia de uso militar conhecida como Spread-Spectrum, ou Espectro Espalhado. Nos sistemas de comunicações convencionais sempre se busca transmitir mais informação em menos faixas de freqüências pois desta forma maximiza-se a eficiência da rede, reduzindo os custos referentes ao segmento espacial. Na modulação Spread-Spectrum acontece o oposto, pois ao se dividir cada bit em um certo número de chips (de menor duração que o bit), aumenta-se o espectro de freqüências com o intuito de tornar o sinal transmitido mais imune a interferências intencionais, que ocorrem em aplicações militares. Para a aplicação satélite referida acima, o principal problema, resolvido com o emprego da modulação Spread-Spectrum, foi o do estabelecimento de um enlace com uma antena das proporções mencionadas, num cenário de
interferência provocada por satélites adjacentes que interferem mais em antenas de pequeno diâmetro.
Por volta de 1984, a mesma empresa Equatorial lançou um novo sistema, bidirecional, consistindo de uma estação central de grande porte chamada de HUB ligada à estações remotas, com diâmetros de 1,2m, capacidade de transmissão de até 9,6Kbps e capacidade de recepção de 156Kbps. Neste sistema, tirou-se proveito de outra característica da modulação Spread Spectrum: sua capacidade de múltiplo acesso que leva o nome de CDMA (Code Division Multiple Access), e permite a identificação de cada estação através de um código específico inerente ao processo de modulação.
Em meados da década de 80, apareceu o acrônimo VSAT, para designar estações terrenas de satélite com antenas de abertura reduzida, tipicamente inferiores a 2,4m de diâmetro, que normalmente se comunicam com uma estação HUB, com antenas de até 6m. Inicialmente usado apenas como marca por uma empresa fabricante, este nome ganhou posteriormente uso geral na designação de micro estação.
A expansão das telecomunicações no Brasil começou com a família de satélites Brasilsat lançados pela Embratel a partir de 1985. Esses e outros satélites tiveram e ainda têm participação essencial na interligação de todo o território nacional, levando a televisão, a telefonia e a comunicação de dados aos quatro cantos do país, possibilitando a expansão da Internet e colocando ao alcance de todos um universo de serviços.
No Brasil, no final da década de 80, iniciou-se o uso pelo segmento bancário de redes VSAT. Soluções nas quais o cliente investe na estação HUB, instalada em suas dependências, e nas micro estações, com transmissão por satélite em banda C. Esse tipo de solução foi oferecida pela Embratel através de sua frota de satélites. Em 1991, a Embratel iniciou a operação de uma estação HUB compartilhada com tecnologia TDMA, localizada inicialmente no Rio de Janeiro e depois transferida para São Paulo. Nesta outra modalidade, há um compartilhamento da estação HUB e das portadoras outbound e inbound entre vários usuários. Hoje, já existem no país, VSATs interligadas à estações HUB no exterior, utilizando satélites em Banda C da organização Intelsat. Mais recentemente, a Embratel passou a oferecer outras modalidades de serviços em banda Ku, através de segmento espacial contratado à Intelsat, embora sem cobertura em todo o território nacional, permitindo a entrada em operação da primeira rede VSAT nessa banda de freqüências adquirida por uma grande indústria do setor automotivo. Acordos com países da América Latina estão
sendo negociados, o que ampliará a utilização transfronteira de redes VSAT a partir do Brasil, como o que está sendo feito pela operadora de satélites Star One/Embratel.
As redes VSAT passaram a disputar o mercado de comunicação de dados até então ocupado por sistemas terrestres de linhas dedicadas e de comutação de pacotes. Atrasos na disponibilização e baixa qualidade das linhas de comunicação de dados terrestres, muitas vezes a não existência das mesmas e ainda a dificuldade em fazer negócio com mais de um provedor de serviço eram e continuam sendo, motivos determinantes na opção por redes VSAT.
Com o novo cenário de competição que se configura com a entrada da Hispamar como concorrente à Star One/Embratel, aguarda-se um grande aumento no número de redes VSAT operando no país. Deve-se esperar também que a tecnologia se desenvolva no sentido de taxas de bits mais elevadas, adequando-se às novas técnicas de transmissão, protocolos, perfis de tráfego e aplicações. [3]
2.6
Sistemas VSAT
A respeito das Redes VSAT em si, existem três tipos de topologia: Estrela, a Mesh e a Híbrida. Na Topologia Estrela da Figura 2.12, todos os terminais VSAT estão conectados a uma grande Estação Terrena denominada HUB, ou Master, que age como um grande hub (das redes LAN), ou seja, não é possível que uma VSAT se comunique com outra sem que o tráfego passe pela HUB. A Figura 2.11 [55] ilustra a HUB, o satélite e o terminal remoto. Para existir uma comunicação VSAT-VSAT, devem ser utilizados dois saltos (duas subidas e duas descidas ao satélite). Isto representa um incoveniente: o dobro do retardo para esta comunicação deve ser computado quando comparada à de único salto. Esta estação central contém toda inteligência para controlar a operação, a configuração e o tráfego da rede. É função também da HUB, armazenar informações referentes ao desempenho, status e níveis de atividade de cada terminal VSAT. É possível dizer ainda que se trata de uma topologia estática, porém flexível no sentido operacional. Em termos econômicos, esta topologia somente se torna viável para um grande número de estações.
Figura 2.11: Arquitetura convencional para redes VSAT
Figura 2.12: Topologia em Estrela
Figura 2.13: Estação Terrena ou Teleporto onde a HUB fica localizada
A Figura 2.13 acima, retrata uma fotografia registrada em 2005 da Estação Terrena de Guaratiba no Rio de Janeiro, administrada pela StarOne/Embratel. Uma estação como esta abriga todas as funções de gerência de uma rede via satélite.
A Topologia Mesh ou Topologia Hubless Full-Mesh permite que todos os terminais comuniquem diretamente entre si sem necessidade da existência de uma HUB, a não ser para desempenhar funções de gerência. Esta topologia, já com inúmeras redes espalhadas pelos continentes, obriga as estações remotas a possuírem antenas maiores e com capacidade para transmitir sinais com maior potência diretamente através do satélite. Essa topologia é mais recomendada na comunicação VSAT-VSAT para aplicações como a voz, onde o retardo é um fator determinante para a definição da qualidade da comunicação. Embora existam exemplos de sistemas VSAT sem HUB por comutação de pacotes, os
mais comuns no mercado utilizam comutação de circuitos, com canais do tipo bit pipe, sem portanto emulação de protocolos. Pode-se dizer que esta topologia age de forma dinâmica e é bem mais flexível que a Topologia em Estrela. Ela se torna mais econômica com um pequeno número de estações terminais.
A Topologia Híbrida permite que um grupo de VSATs se comunique através da topologia em Estrela e outro grupo através da topologia Mesh, sendo bastante útil quando determinado grupo de terminais têm muito mais demanda de tráfego entre si, ao contrário do que ocorreria com os outros terminais.
2.6.1
Componentes de um sistema VSAT
O primeiro e mais crítico componente do sistema VSAT é sem dúvida o satélite. Caso haja algum problema nos seus painéis solares ou no controle do seu sistema de geonavegação, simplesmente não haverá comunicação. Os satélites modernos são compostos por dezenas de transponders cada, onde a largura de banda de cada um deles pode ser combinada de diversas formas, desde que se mantenha o limite do transponder.
A Figura 2.14 [54] apresenta um diagrama dos componentes de uma rede VSAT de a Figura 2.15 mostra em algum detalhe, os componentes de um terminal VSAT.
Figura 2.14: Componentes da rede VSAT
Figura 2.15: Componentes de um terminal VSAT
Um terminal VSAT consiste tipicamente de uma antena, equipamentos externos (outdoor unit - ODU), cabos e conexões e equipamentos internos (indoor unit - IDU). A antena e a ODU realizam a conversão em frequência e amplificação do sinal de uplink (Power Amplifier - PA e Frequency Converter) e o de downlink é realizado pelo módulo LNA. A função da IDU, de uma maneira genérica, é fornecer a interface para carregar os serviços do usuário. Além disso, existe o bloco Base Band Controller que limita o uplink e o downlink da comunicação. O modulador e o demodulador também fazem parte da IDU. O consumo de energia para o funcionamento das estações VSAT é muito baixo e em alguns casos a própria energia solar pode ser utilizada para alimentar esses terminais. A IDU se conecta à ODU por meio de cabos coaxiais, cuja distância máxima varia de 50 a 100 metros, e onde a transmissão é feita na Frequência Intermediária (FI), geralmente na faixa de 2GHz.
Com relação à HUB, alguns computadores estão ligados fisicamente a ela. O primeiro deles é o Host Computer, com função de fornecer a informação necessária às estações ou conectá-las a uma rede externa. O Information Center é utilizado para guardar as informações dos clientes podendo ser convertido para uma estação junto à HUB. E, por fim, o NMS (Network Management System) utilizado pelo gerente da rede. Através do NMS pode-se controlar os limites dos canais, o uso, a performance e o tráfego, além de executar diagnósticos e gerar relatórios estatísticos para cada terminal. A estação principal, HUB, dispõe de uma antena maior e é capaz de se comunicar com todas as estações VSAT remotas dos usuários, coordenando o tráfego entre elas. A estação HUB também se presta como ponto de interconexão para outras redes de comunicação, como a Internet, redes corporativas ou ainda redes de voz.
2.6.2
Principais técnicas de acesso
Em todos os sistemas no sentido HUB-VSAT (outbound), são utilizadas portadoras conduzindo um canal TDM estatístico, tal como numa rede de
pacotes terrestre. No sentido contrário, VSAT-HUB, cada esquema de múltiplo acesso define as características do canal inbound, ou seja, os protocolos de acesso ao satélite descrevem a forma com que os terminais irão acessar os recursos de banda do satélite.
Para que as comunicações aconteçam entre as VSATs e a HUB, é preciso que a uma estação VSAT esteja associado um canal de RF (Rádio Frequência). Essa associação pode ser permanente ou por demanda, variando dinamicamente. Quando a associação é permanente, existe um canal fixo para cada VSAT e temos o método de alocação do tipo PAMA (Permanent Assignment Multiple Access) ou Acesso Múltiplo com Alocação Permanente. Sua desvantagem pode estar no desperdício da banda alocada a uma VSAT que pode não estar transmitindo a todo momento. Quando a alocação é dinâmica existe um pool de canais administrados pela estação HUB do qual são alocados os canais para cada VSAT na medida em que são solicitados e para o qual são liberados ao término do uso. Neste caso, temos o método de alocação DAMA (Demand Assignment Multiple Access) ou Acesso Múltiplo com Alocação por Demanda.
Seja a alocação de canais PAMA ou DAMA, existe uma variedade de métodos de acesso e compartilhamento de canais que estão relacionados diretamente com a performance de uma rede VSAT. Uma rede bem dimensionada deverá utilizar portanto, protocolos específicos para alcançar a maior performance para uma determinada aplicação, enquanto minimiza a banda requerida no satélite.
As técnicas de acesso no sistema VSAT são muitas, variando de fabricante para fabricante. As principais delas são o Aloha, Slotted-Aloha, DAMA, TDMA, FDMA e CDMA. Códigos corretores, mencionados anteriormente, como o FEC com taxas de 1/2 ou 3/4 e detectores de erros são freqüentemente usados nas técnicas de acesso para auxílio na correção de erros, ambos através de redundância. Novamente, a técnica de acesso está intimamente ligada à aplicação e topologia utilizada.
Utilizando-se o Aloha, quando um dado terminal tem um quadro, ele transmite instantaneamente, mesmo se o canal estiver sendo utilizado. O terminal, em seguida, “ouve” o meio e caso perceba que este está ocupado, respeitando o tempo de atraso inerente, ele assume que a mensagem foi enviada com sucesso. Caso contrário, ele aguarda um tempo aleatório para retransmitir o quadro. Alguns sistemas reconhecem se o quadro foi devidamente transmitido por meio de um ACK vindo da HUB.
O Slotted-Aloha é uma versão melhorada do Aloha simples e tem como objetivo fazer com que as colisões se sobreponham o máximo possível. O método utilizado foi fazer com que as transmissões dos quadros só possam ocorrer em períodos determinados, denominados de slots. Assim, um quadro não pode interferir com outro que já esteja na metade de sua transmissão. Os slots são de iguais períodos de tempo e este sistema praticamente dobra a eficiência em relação ao anterior. A sincronização dos slots se dá através do clock-master da HUB, que considera assim, as diferentes distâncias dos terminais.
O TDMA (Time Division Multiple Access) permite que os usuários acessem a capacidade alocada no transponder através do compartilhamento de tempo, onde a cada instante um terminal utiliza os recursos disponíveis para realizar sua comunicação, sendo o método mais utilizado nas redes VSAT comerciais. A variante mais utilizada dentro desta técnica é o TDMA-DA (Demmand Assignment) onde a HUB fica responsável por alocar o slot para cada terminal VSAT de acordo com a transmissão previamente requerida. Com esta tecnologia é possível atender a vários tipos de perfis de tráfego de usuário, desde o mais interativo até as simples transferências de arquivos.
O FDMA (Frequency Division Multiple Access) consiste na técnica de acesso mais simples e utiliza diferentes portadoras na transmissão dos diferentes canais possibilitando a transmissão simultânea sem prejuízo por interferência. Assim, obtém-se para cada transponder a divisão em freqüência dos canais. O esquema FDMA se apresenta extremamente ineficiente em termos de ocupação de segmento espacial para tráfegos interativos.
Nas redes VSAT que utilizam CDMA (Code Division Multiple Access), cada terminal recebe um número pseudo-aleatório único utilizado para codificar e decodificar suas transmissões. Várias VSATs podem transmitir simultâneamente na mesma freqüência, sendo os sinais separados na recepção pela HUB. A transmissão da HUB também é codificada da mesma forma, porém um único código é atribuído a ela, o que permite a recepção por todos os terminais. O CDMA se caracteriza por ser um método ineficiente de se usar a capacidade do satélite, no entanto tem grande resistência a interferências externas além de gerar menos interferência que os outros métodos.
Por fim, no DAMA (Demand Assignement Multiple Access), quando um terminal VSAT deseja realizar uma transmissão, este terminal requisita um slot no tempo ou freqüência. A atribuição do slot ou freqüência somente é concretizada após a conclusão da transmissão. Esta técnica de acesso por
demanda é a técnica utilizada para os serviços de telefonia convencional garantindo uma qualidade mínima do serviço, pois as portadoras são assumidas aos pares, uma para o sentido HUB-VSAT e outra no sentido VSAT-HUB. Redes que implementam esse tipo de técnica são normalmente usadas para oferecer circuitos de voz. A Figura 2.16 [56] ilustra esta rede.
Figura 2.16: Rede VSAT DAMA/SCPC típica
Uma combinação das técnicas TDMA e FDMA, a FTDMA (TDM/TDMA) é a mais utilizada para acesso à rede satélite e sua representação é a da Figura 2.17 [56]. Uma portadora única, formada pela multiplexação de todos os pacotes que serão direcionados para as diferentes VSATs na rede, é utilizada para envio da informação da HUB para as VSATs. Cada VSAT é capaz de receber todo o tráfego do outbound, mas ela é limitada a decodificar somente os pacotes destinados a ela. O enlace VSAT-HUB é composto por diversas portadoras inbound onde seu número é dependente do tamanho da rede a qual é acessada pelas VSATs em uma determinada frequência e em um determinado tempo. Nessa técnica, antes dos dados serem transportados pela rede, eles devem ser empacotados, cada pacote contendo um endereço que identifica um terminal dentro do domínio de um sistema VSAT. O receptor (VSAT ou HUB) deve reconhecer o correto recebimento do pacote. Se algum ruído, colisão ou outro evento corromper o mesmo, o receptor impedirá que ele chegue ao destino e não enviará uma confirmação. O pacote portanto, deverá ser retransmitido no próximo período de tempo permitido.
Figura 2.17: Esquema de rede VSAT TDM/TDMA típica 2.6.3
Aplicações das VSATs
As aplicações que podem ser oferecidas pela tecnologia VSAT, podem ser classificadas da seguinte forma:
One-way
Corresponde a aplicações mais simples e comuns onde voz, vídeo e dados são transmitidos a partir da estação Master, e recebidos pelos diversos terminais distribuídos pela área de cobertura de um satélite. Desta forma, poderíamos pensar que qualquer terminal VSAT não autorizado seria capaz de receber este sinal, porém, a operadora da rede pode controlar o acesso a essas aplicações, restringindo-as somente a um grupo de interesse. Exemplos de aplicações atendidas via broadcasting (sem restrição de destino) ou ainda multicasting (com restrição de destino) são difusão de vídeo (eventos ao vivo), áudio, arquivos, etc.
Two-way
Permitem aplicações que utilizam os dois sentidos de comunicação. Aplicações estas, que podem ser serviços de dados, voz ou até mesmo de vídeo interativo, ou conferência. Este último, atendendo a localidades não cobertas por infra-estrutura da Rede Pública de Telefonia, tipicamente as rurais, como mencionado no início deste texto. Uma única linha de voz pode ser transmitida por meio de uma VSAT ou até mesmo um conjunto delas, terminando em seguida em um PABX no site do usuário/cliente.
2.6.4
Vantagens e desvantagens da tecnologia VSAT
Sem dúvida que poder transmitir informações para vários usuários separados a quilômetros de distância de uma forma tão rápida é, e continuará
sendo uma vantagem sobre qualquer outro meio de comunicação. Aplicações militares para esta tecnologia não faltam, já que guerras sempre ocorreram e, pelos recentes fatos, continuarão ocorrendo espalhadas por todo o globo. Porém, o uso de ondas eletromagnéticas em uma transmissão, ainda mais envolvendo áreas enormes, traz um ponto à discussão: a segurança. Mesmo em sistemas que possuem os focos das antenas dos satélites pontuais, não são raras as transmissões que usam encriptação para garantir que somente pessoas autorizadas tenham acesso aos dados transmitidos. No entanto, existem problemas a serem tratados como os efeitos atmosféricos, que afetam de forma diferente as diversas bandas de transmissão, e o retardo de propagação que afeta principalmente as aplicações que exigem respostas em tempo real, tal como a voz.
Depois de mencionados alguns problemas presentes nos sistemas VSAT, podem ser abordadas as suas vantagens, a começar pela rapidez. Relatos de instalações práticas mostram que redes VSAT podem ser implementadas em poucos dias. Isto se deve a uma característica importante dos sistemas, o amadurecimento e a não utilização de um meio físico fixo. Além de vários problemas já terem sido detectados e solucionados, o amadurecimento de uma tecnologia traz a vantagem do custo menor. Como custo, tempo e conhecimento dos problemas são fatores importantes em aplicações comerciais, uma comparação, analisando estes tópicos, sempre deve ser feita entre tecnologias.
Além dessa vantagem, pode-se ainda destacar seu menor custo diante de enlaces dedicados terrestres; a grande variedade de aplicações de dados, voz e vídeo; a alta escalabilidade; sua insensibilidade quanto à distância entre a VSAT e a HUB e, por fim, a eliminação do problema da última milha.
Levando-se em consideração que localidades mais distantes são sempre deixadas para segundo plano no que diz respeito a comunicações, unidades fabris e pequenos aglomerados rurais sempre podem contar com este meio de transmissão. Localidades insulares com pouca infra-estrutura e veículos de mobilidade intercontinental são possíveis candidatos a possuírem VSAT.
3
Propagação em sistemas via satélite
Este capítulo trata da propagação Terra-Espaço (uplink) e Espaço-Terra (downlink) para estabelecimento da comunicação entre as Estações Terrenas e os satélites geo-estacionários para frequências em Banda Ku (da ordem de 12GHz para downlink e 14GHz para uplink). O estudo da propagação em ambos sentidos da comunicação, é somente um dos componentes que está presente nos cálculos de enlace.
Os cálculos de enlace procuram realizar um balanceamento dos ganhos e das perdas associadas a uma rede de comunicações, no caso, via satélite, de forma a estimar a performance real fim-a-fim dos níveis de potência, dimensionamento das remotas e qualidade da comunicação. Para se chegar a uma resposta o mais próxima da realidade possível, um completo e detalhado estudo se faz necessário. Além disto, outros fatores devem ser considerados como os ganhos das antenas transmissora e receptora, as dimensões das mesmas e seus ângulos de elevação, as perdas associadas aos cabos, as interferências e os ruídos, além dos efeitos atmosféricos.
O que este capítulo traz é uma apresentação dos principais fatores que devem ser considerados quando de um estudo de enlace, aprofundando alguns itens quando necessário, mas não representa um estudo profundo e totalmente completo sobre todos esses fatores.
3.1
Enlace de comunicação via satélite
Os componentes básicos de um enlace satélite podem ser apresentados como se segue:
• Subida do sinal pela Estação Terrena; • Caminho de subida até o satélite;
• Caminho de descida até a Estação Terrena; • Descida do sinal na Estação Remota
O sinal de subida em uma Estação Terrena (HUB ou Master) é quase sempre compartilhado entre os vários clientes, ou seja, apesar de em algumas redes existirem equipamentos (de rede, encapsuladores IP em MPEG,
moduladores, etc...) de clientes diferentes dedicados na Estação Terrena, a combinação de cada um dos sinais se faz necessária para que seja possível a subida ocorrer na mesma antena da Estação Terrena Master.
A Figura 3.1 apresenta o diagrama geral com os conceitos já estudados e as Figura 3.2, 3.3 e 3.4, respectivamente, os elementos de subida de uma Estação Terrena, os elementos básicos de um satélite de comunicação, e os de descida de uma Estação Remota. Vale mencionar que o conversor de subida representado na Figura 3.2 possui características que dependem do transponder e do satélite.
Figura 3.1: Diagrama geral de um enlace satélite
Figura 3.2: Elementos de subida em uma Estação Terrena
Figura 3.3: Elementos básicos de um satélite de comunicação
Figura 3.4: Elementos de descida em uma Estação Remota
3.2
Enlace de uplink
Um enlace de subida ou uplink de um satélite pode ser caracterizado, assim como um enlace de descida, pela composição dos seguintes elementos:
• Transmissor e antena transmissora da Estação Terrena; • Caminho entre transmissor e receptor (atmosfera e espaço); • Antena receptora e receptor do satélite
Um estudo de uplink é preparado para avaliar a performance de equipamentos em uso no enlace, para determinar a capacidade de um determinado conjunto de equipamentos, e sua contribuição para a performance global do sistema. A Figura 3.5 [52] exemplifica de uma forma bastante generalizada os níveis de potência de um uplink. Uma representação como esta é muito utilizada e normalmente recebe o nome de “Perfil do Enlace Satélite”, que pode ser bem mais detalhada do que a da Figura 3.5, exibindo as diversas contribuições de ganhos e perdas fim-a-fim.
Figura 3.5: Níveis de potência no uplink
A Figura 3.5 traça os níveis de potência de um uplink típico (Terra-Espaço), onde uma estação “A” gera cerca de 1.000W ou 30dBW de potência e possui uma antena com ganho de 50dBi. Desta forma, a potência de saída da estação transmissora será de 30dBW + 50dBi = 80dBW. A atenuação de espaço livre (devido ao espalhamento do sinal) em por exemplo 6GHz (Banda C) reduz a potência para cerca de -119dBW ao chegar ao satélite “B”. O ganho
