Comunicacao via Satelite

Comunicação Via Satélite Introdução:

A comunicação via satélite tornou-se, desde a sua criação, a maior evolução do homem no quesito comunicação. comunicação. Através da comunicação via satélite foram possíveis vários progressos, dentre eles e com destaque a área das geociências, as telecomunicações e o transporte aéreo. Isto melhorou substancialmente a segurança e o desenvolvimento mundial. Com o avanço das tecnologias em microinfor-mática, o satélite passou a ser também o mais impor-tante meio de transmissão de dados, podendo interli-gar qualquer parte do mundo em tempo quase real. Um dos recursos mais empregados nas teleco-municações são os satélites artificiais, que podem ser geoestacionários geoestacionários ou não geoestacionários. A comuni-cação via satélite apresenta grandes vantagens em relação aos meios tradicionais, principalmente no que diz respeito à grande largura de banda disponível. Em termos simples, o satélite é como um grande chaveador, recebendo sinais de uma VSAT e repe-tindo-o diretamente dir etamente  para o ponto master. Dessa for-ma, sua rede tem um ponto ponto no espaço espaço que  facilita a transposição de grandes distâncias. Por se tratar de um meio que dispensa a utiliza-ção de cabo e grandes investimentos em infra-estrutura, pode atender diversas localidades isoladas como fazendas, pequenas cidades e mesmo em bar-cos e caminhões. Comunicação via satélite: Definição:

O satélite, do ponto de vista de transmissão é uma simples estação repetidora dos sinais recebidos da Terra que são detectados, deslocados deslocados em freqüência, amplificados e retransmitidos de volta à Terra. Um satélite típico é composto de uma parte comum (“bus”) onde se encontram as baterias, painéis sola-res, circuitos de telemetria e a parte de propulsão. Além do “bus” temos a carga útil (“payload”) com -posta essencialmente dos circuitos repetidores, de- nominados “transponders”. Transponder:

O transponder é o dispositivo responsável responsável pela re-transmissão re-t ransmissão do sinal recebido e consiste de um con-junto de componentes eletrônicos eletrônicos que recebe o sinal da Terra (enlace de subida) e após algum processa-mento como ganho de potência, filtragem e transla-ção de freqüência o retransmite para o planeta (enla-ce de descida). Um satélite geralmente é composto de vários transponders que atuam como unidades inde-pendentes de repetição, cada uma ocupando uma faixa exclusiva de freqüências, sendo importante para aumentar a  confiabilidade e versatilidade do satélite. Um transponder é composto por um amplifica-dor de baixo ruído, um filtro passa-faixa, osciladores de  batimento e um amplificador amplificador de ganho ganho variável. O sinal recebido é amplificado pelo amplificador de baixo ruído e, com o auxilio do oscilador de bati-mento, a freqüência é convertida para outra que este-ja dentro da faixa de freqüência do sinal de descida. Este  procedimento ocorre ocorre no misturador de de freqüência. O sinal de saída do conversor subtrativo é filtra-do pelo filtro passa-faixa, sendo sendo este com a finalida-de de eliminar os sinais dos outros canais de trans-ponders de freqüência próxima. Em seguida, o sinal de saída do filtro passa-faixa é aplicado ao amplificador de ganho variável, onde a saída é constantemente constantemente monitorada pelo circuito de controle automático de nível (CAN), que regula a quantidade de amplificação proporcionada proporcionada em função do nível do sinal monitorado. Caso o sinal esteja abaixo do valor de referência, é aumentada a amplifi-cação e, caso contrário, ela é reduzida.

O CAN disponibiliza uma tensão de saída que é proporcional à intensidade do sinal processado e, com esta tensão, é realizado o ajuste de potência, ou seja, o aumento ou a redução de potência dos sinais enviados da Terra para o Satélite, na freqüência do transponder afetado. Depois de amplificado e regulado o nível, o sinal é enviado para o amplificador de potência de trans-missão, que resulta no mecanismo amplificador. Freqüências de operação:

As freqüências mais utilizadas para comunicação via satélite são as da banda C e banda Ku, conforme a tabela abaixo. -

Banda C

Banda Ku

5,850 a 6,425 GHz

14,0 a 14,5 GHz

3,625 a 4,200 GHz

11,7 a 12,2 GHz

Frequência de uplink (estação terrena para satélite) Frequência de downlink (satélite para estação terrena) Um transponder em banda C tem, tipicamente, 36MHz de largura de banda, enquanto que os de banda Ku tem tipicamente 27MHz. Internacionalmente, a banda mais popular é a banda Ku, pois permite cursar tráfego com antenas menores que as de banda C, devido ao fato das suas freqüências serem mais altas. Entretanto, devido ao mesmo fato, a transmissão em banda Ku é mais suscetível a interrupções causadas pela chuva. Dessa forma a banda C é mais popular em países tropicais.  No Brasil durante muito tempo só se utilizou a banda C. Mais recentemente, a banda Ku vem recebendo maior aceitação. Os satélites de comunicação usam as faixas C (4 a 8GHz), X, Ku (12,5 a 18GHz) e. Existem também a faixa X (12,5 a 18GHz) que é de uso militar e a Ka (18 a 40 GHz) mais recente que também  permite a TV por assinatura via satélite. Sistemas de comunicação via satélite nas bandas Ku e Ka constituem uma tecnologia moderna e de grande potencial em termos de serviços de telecomunicações. Devida à frequência elevada, serviços de telecomunicações como de telefonia, de dados e de televisão podem ser realizados através de redes com topologia em estrela constituídas de estações terminais de pequeno porte denominadas de VSAT (“Very Small Aperture Terminal”), acopladas a uma estação central mestre (“master” ou “HUB”).

As redes VSATs são uma solução técnica-econômica interessante para países em desenvolvimento como o Brasil, pois possui grandes áreas com comunidades remotas ou isoladas.

Entretanto, nas Bandas Ka e Ku, a ocorrência de chuvas tem sido uma preocupação devida à atenuação de  propagação por elas causada. Em países de clima Tropical e Equatorial como o Brasil esta preocupação é maior considerando o regime de chuvas mais intensas. Também a atenuação por nuvens nestas regiões é significativa. Dependendo da intensidade da chuva uma interrupção do enlace via satélite pode ocorrer, indisponibilizando o serviço. Capacidade dos satélites

Os satélites de comunicação utilizam técni-cas para aumentar a capacidade de canais dentro de uma faixa de freqüência. Os satélites brasileiros Brasilsat e Intelsat, operando na faixa C, entre 4 e 6 GHz utilizam freqüências entre 5925MHz e 6425MHz para transmitir da Terra para o satélite e freqüências entre 3700MHz e 4200MHz para trans-mitir do satélite para a Terra. Essas freqüências são divididas em 12 faixas, cada um  pertencendo a um transponder, veja na figura 01.

Fig. 1 Canais de um satélite com as curvas de resposta de cada 1 dos 12 transpondes Para aumentar a capacidade de cada canal dentro da mesma faixa de freqüência, os satélite utilizam dois sistemas de transmissão operando com polarida-de cruzada de antenas. Para isso, um dos sistemas a polaridade vertical e outro a polaridade horizontal. Embora os sinais ocupem a mesma faixa de freqüên-cia, as antenas conseguem separar os sinais, direcio-nando-os aos respectivos transponders. A polarização cruzada permitiu dobrar a capacidade de um sistema de comunicação por rádio. Os satélites geoestacionários utilizam a  polaridade cruzada para aumentar de 12 para 24 o número de canais. Múltiplo Acesso:

O satélite de comunicação permite o acesso múl-tiplo, ou seja, várias estações terrestres podem manter comunicação simultânea com o satélite, transmitindo ou recebendo informações, de acordo com a figura 2.

Fig. 2 Múltiplo acesso O acesso múltiplo exige um gerenciamento preciso por parte da empresa operadora do satélite, com o objetivo de evitar interferência mútua entre as diversas estações. O acesso do satélite e feito por FDMA, SCPC e TDMA, desses o único que suporta sinais analógicos é o FDMA, os demais transmitem sinais digitais. FDMA

 No Acesso FDMA(Acesso Múltiplo por Divisão de Freqüência), a faixa de freqüência de um transponder é subdividida em partições menores de ta-manho variável em função do número de canais de voz transmitido em cada partição. Os canais de voz são multiplexados em freqüência, aplicado um modu-lador FM, e em seguida convertido para a freqüência de enlace de subida, sendo transmitida para o satélite.  No satélite, o sinal é recebido e convertido para a freqüência do enlace de descida e amplificado de pelo amplificador de potência, para aí ser devolvi-do para a Terra. A estação terrena a que se destina o sinal seleciona a partição correspondente ao trans-ponder desejado e extrai o sinal FDMA , recuperando sinal original, esse processo e ilustrado na figura 3, assim como o espectro de freqüência de alguns mo-mento do  processo acima estão ilustrado na figura 4.

Fig. 3 Estrutura de acesso FDMA Fig4 Espectro de freqüência em alguns pontos O acesso FDMA aplica-se na transmissão de sinal telefônico analógico. São necessários dos senti-dos de transmissão para permitir a comunicação duplex(simultânea em dois sentidos). Um ponto negativo do FDMA é o baixo rendimento espectral, pois o número máximo de canais por transponder é inferior a 500. SCPC

O SCPC(um único canal por portadora) destina-se à transmissão da voz digitalizada a 64kbps(ou dados com velocidade de até 2048kbps) na modali-dade duplez. Até 800 canais de voz podem ser transmitidos dentro da faixa do transponder de 36MHz, utilizando-se a modulação QDPSK. Como a modulação QDPSK transmite 2

 bits de cada vez, a taxa de modulação é de 32kbaud. Cada canal pode ocupar, no máximo, 36MHZ/800= 45kHz.  No sistema SCPC o sinal é aplicado a um mo-dem QDPSK, sendo gerado um sinal de amplitude constante e fase chaveada contendo uma constelação de 4 pontos. Esse sinal deve ocupar uma freqüência dentro de faixa de 52MHz a 88MHz. O valor da frequência exata é determinada pela operadora do serviço de satélite, sendo escolhido para coincidir com uma faixa de freqüência livre do transponder. Depois de obtido o sinal ele é transmitido para o satélite. No satélite, o sinal é recebido e amplificado, e convertido para a freqüência do enlace de descida e é novamente amplificado, para obter os níveis de potência, sendo retransmitido para a Terra. Na terra, a estação terminal terrena de destino recebe o sinal vindo da satélite, converte-o para a freqüência inter-mediária, filtra o sinal FI e o converte para a fre-qüência específica do demodulador, onde são recupe-rados os dados e entregues para a rede de transmissão (fibra ótica, cabo metálico ou rádio digital) e daí são transportada até o usuário. Também é possível, para o usuário, acessar dire-tamente a o satélite de comunicação. Para isto basta que instale os equipamentos e as antenas necessários, além de contratar os serviços com a operadora dosa-télite, quando será feita a configuração do acesso. O processo descrito acima está ilustrado na figura5.

Fig. 5 Estrutura de acesso SCPC TDMA

Essa forma de acesso é muito parecida com a multiplexação por divisão de tempo. A diferença é que cada intervalo de tempo, chamado de partição, é, em princípio, endereçado para uma estação terrena diferente. Para isso, cada quadro formado por um número n de partições é emitido, sendo cada partição dividida em 3 partes, de acordo com a figura 6.

Fig. 6 Estrutura de acesso TDMA O início de cada quadro é identificado por seu padrão característico de bits, contidos na referência. Em seguida, iniciam-se as partições de tempo que transportamos dados do usuário. Cada partição con-tem, no início, uma quantidade de bits com a finali-dade de proteção, evitando a sobreposição do sinal da partição anterior. Após os  bits de proteção, segue o cabeçalho, contendo os bits de sincronização e ende-reçamento. Finalmente, são transmitidos os bits de dados do usuário. Os bits de sincronismo são neces-sários para sincronizar os caracteres de dados, identi-ficando o primeiro bir de cada caracter. Os bits de endereçamento são os usados para identificar o desti-natário dos dados transmitidos a seguir.

A velocidade de transmissão para dados, varia entre 2,4 e 6,4 kbps. Sinais de voz podem ser codificados a 32 ou 64 kbps.

Aplicações:

Fig. 07 Aplicações da Comunicação Via Satélite As aplicações onde a comunicação via satélite são mais indicadas são aquelas em que: •Deseja-se espalhar a mesma informação, no link

de descida, por uma região geográfica muito extensa como,

 por exemplo, para a TV e a Internet. •Deseja-se atingir localidades remotas como, por

exemplo, campos de mineração, madeireiras, propri-edades

rurais e suburbanos e postos em rodovias. •Deseja-se que o tempo de implantação seja muito rápido, ou

de uso ocasional, como, por exemplo, para shows,

rodeios, corridas de automóvel. A estação terrena mais popular que existe é a VSAT, uma abreviatura para Very Small Aperture Terminal. Geralmente são estações com antenas variando de 80 cm a 2 metros e pouco de diâmetro. Arquitetura Uma rede VSAT é composta de um número de estações VSAT e uma esta ção principal (“hub station”).

A estação principal dispõe de antena maior e se comunica com todas as estações VSAT remotas, coordenando o tráfego entre elas. A estação “hub” também se presta como ponto de interconexão para outras redes de

comunicação. Gateways e Base Stations: são estações terrestres.

Planeam e controlam o uso de satélites pelos terminais gateway e pela coordenação deste uso com o SOCC . •GOCC (Ground Operations Control Center):

Rastreia satélites, controla suas órbitas e fornece serviços de Telemetria e Comando (T&C) para a constelação de satélites. Também supervisionam o  lançamento de satélites. Cada estação pertence e é gerida por cada operador. Recebe transmissões dos satélites com o intuito de processar as chamadas e encaminhá-las para a rede de destino terrestre. Um gateway pode servir mais do que um país. Efetuam a integração com as redes fixas ou móveis terrestres. •SOCC (Satellite Operations Control Center):

Categoria dos satélites

Existem três tipos de satélites que se encontram em três órbitas distintas:

LEO (LowEarthOrbit): Aproximadamente 500-1500 km MEO (MediumEarthOrbit): Aproximada-mente 6000-15000 km HEO (HighEarthOrbit): a partir de 20000 km (onde se inclui GEO: Geostationaryorbit Apro-ximadamente 36000 km) Satélites de baixa órbita (LEO) e de média órbita (MEO)

Órbitas LEO são aquelas em que os satélites viajam a uma altitude entre 500 e 3000 km, aproxi-madamente.  Nas órbitas MEO os satélites estão viajando entre 13000 e 20000 km de altitude. Como estas órbitas estão  próximas à Terra, o satélite tem de viajar a uma velocidade angular maior que a do pla-neta, pois caso contrário, a força de gravidade o puxará para o solo, destruindo-o. Os satélites LEO´S são normalmente dividi- dos em duas categorias: “BIG LEO´S” e “SMALL LEO´S”. A diferença entre eles é que os BIG LEO´S utilizam a faixa de freqüência acima de 1GHz e os SMALL LEO´S abaixo de 1GHz. A velocidade média de um satélite LEO está em torno de 25000km/h, fazendo uma volta completa em torno da Terra em cerca de 90 a 100 minutos. As órbitas podem ser tanto circulares como elípticas, dependendo da necessidade do projeto a ser executa-do, pois as órbitas elípticas fazem com que o satélite passe mais tempo sobre uma determinada região, facilitando e ampliando o tempo de comunicação entre o satélite e a estação terrestre. Os satélites de comunicação utilizam estas órbitas, pois elas estão mais próximas à Terra, fazen-do com que os equipamentos utilizados possam ser menores, até portáteis, já que necessitam de pouca potência para transmissão. Geo-estacionários.

São assim denominados por serem coloca-das em uma órbita sobre o equador de tal forma que o satélite tenha um período de rotação igual ao do nosso planeta Terra, ou seja, 24 horas. Com isso a velocidade angular de rotação do satélite se iguala à da Terra e tudo se passa como se o satélite estivesse parado no espaço em relação a um observador na Terra.

Para que um satélite entre em órbita é ne-cessário que atinja uma velocidade de pelo menos 28.800 Km/h. Com essa velocidade, se posicionar-mos o satélite a 36.000 km de altitude, acima do equador, ele ficará numa órbita geoestacionária. A União Internacional de Telecomunicações (UIT) dividiu o espaço Geoestacionários em 180 posições orbitais, cada uma separada da outra de um ângulo de 2°. O Brasil pleiteou 19 posições orbitais junto à UIT. Destas, atualmente sete se encontram designadas para uso dos operadores brasileiros (Star One, Loral e Hispasat). Uma visão comparativa entre satélites de órbitas LEO, MEO e GEO

Os satélites que operam em uma órbita Geo-estacionária necessitam de foguetes lançadores mais complexos, devido a sua altitude elevada, o que pro-voca um custo de lançamento mais elevado do que os lançamentos dos satélites de tecnologia (MEO e LEO). Este custo chega a ser 4 vezes mais caro que o próprio satélite. Esta operação de lançamento, a cerca de 10 anos atrás, era uma operação arriscada, pois havia uma quantidade razoável explosões e insucessos. Hoje, a cada ano que passa a confiabili-dade nos veículos lançadores vem aumentando muito. Os Satélites GEO possuem uma vantagem de abranger uma área de cobertura muito maior do que as dos satélites LEO e MEO. Em contra partida, a elevada altitude provoca um retardo de aproxima-damente 0,5 s no sinal. Este retardo provoca proble-masmais complexos em protocolos de verificação e correção de erro de dados, onde a todo instante uma sistema de transmissor interrompe a comunicação de dados para aguardar a resposta do sistema receptor de que há erro do dado enviado. Só então o dado é retransmitindo. Esta interação entre os dois sistemas (Tx e Rx) seria normalmente instantânea se eles não tivessem que aguardar 0,5 s por uma confirmação de erro. Por este motivo o protocolo de comunicação de sistemas via satélites GEO, são diferentes dos outros sistemas de telecomunicações, tornando viável a tecnologia. Vantagens e desvantagens Desvantagens

Sem dúvida que poder transmitir informa-ções 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 tecnolo-gia não faltam, já que guerras sempre ocorreram e, pelos recentes fatos, continuaram ocorrendo espalha-das por todo o globo. Porém o uso de ondas eletro-magnéticas em uma transmissão, ainda mais em uma transmissão envolvendo áreas enormes traz um ponto à discussão: a segurança. Mesmo em sistemas que possuem os focos das antenas dos satélites pontuais, não raro são as transmissões que usam da encriptação para garantir que somente pessoas autorizadas te-nham acesso as informações transmitidas. Além do problema da chuva que afeta de forma diferente as diferentes bandas de transmissão, existe ainda o  problema pouco comentado de quando o satélite eclipsa o sol. Este efeito interfere na comu-nicação interrompendo (uma vez por ano no período por poucos minutos com previsão adiantada) por ser uma fonte de ondas eletromagnética bastante podero-sa. Assim, sistemas críticos que não podem ficar minutos sem comunicação não devem usar VSAT. Um fator que se deve ressaltar é que seu BER é variável, visto que as condições climáticas (chuvas) interferem de forma direta, já que as ondas eletromagnéticas passam os primeiros quilômetros do seu percurso na atmosfera. Problemas de comunicação por satélites

Os problemas de comunicação por satélites podem ser agrupados em 3 campos: Físico:

- A atmosfera provoca reflexões de onda, provocan-do atrasos e erros - Variação da intensidade do sinal devido a propaga-ção multipath - Interrupções no sinal devido a shadowing - É necessário ter em conta que quanto maior a dis-tância, maior o dispêndio de energia dos equipamen-tos (tanto em terra como no satélite) - É necessário bom equipamento para que exista uma maior eficiência na comunicação. Monetário: - Existe muito dinheiro envolvido numa transmissão Software: - Problemas na camada de transporte, como por e-xemplo, erro na transmissão de bits. Vantagens

Depois de todos os problemas apresentados, podem-se ver as vantagens. O próximo ponto a se levantar é a rapidez. Relatos de instalações práticas mostram que redes VSAT podem ser implementadas e começar a operar em poucos dias. Isto se deve a uma característica importante que os sistemas devem ter 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 tópi-cos, sempre deve ser feita entre tecnologias. Levando-se em consideração que localida-des 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, de pouca infra-estrutura e veículos de mo-bilidade intercontinental (aviões e navios) são possí-veis candidatos a possuírem VSAT. Conclusão

Todo sistema de comunicação deverá, antes da sua implantação, ter uma avaliação no que diz respei-to ao seu custo, ao seu tempo de implantação e ao serviço que este oferece. A comunicação via satélite, quando se deseja uma comunicação para localidades remotas, ou quando se deseja espalhar a recepção em áreas geográficas muito extensas, é o sistema utiliza-do no momento. Porém em alguns casos, esta tecno-logia se vê conflitando com algumas outras que for-necem o mesmo serviço com maior confiabilidade, maior velocidade e menor custo de implantação. Por isso esse sistema deverá ser avaliado de acordo com a necessidade do projeto, pois em certos momentos  problemas como o atraso do sinal, interrupções do sinal devido a chuvas, não podem existir para um bom funcionamento de um certo serviço, por exemplo. Referências Bibliográficas

Sverzut, José Umberto Redes GSM, GPRS, EDGE e UMTS  –  Evolução a Caminho da Terceira Geração Editora Erika, primeira edição Medeiros, Júlio Cesar de Oliveira Príncipios de Telecomunicações  –  Teoria e Prática Editora Erika, Primeira Edição Soares Neto, Vicente Telecomunicações  –  Sistemas de Modulação Editora Erika, Primeira Edição

Soares Neto, Vicente Telecomunicações  –  Convergência de Redes e Serviços Editora Eika, Primeira Edição