COMUNICAÇÕES VIA SATÉLITE · ... organização internacional na qual Portugal esteve...

Sistemas de Comunicações

COMUNICAÇÕES VIA

SATÉLITE

Fernando Pereira Paula Queluz

Instituto Superior Técnico


Estrutura de um Sistema de Comunicação

Via Satélite

Rede Terrestre Rede Terrestre

Interface Terrestre

Interface de Utente Utente

Estação

de Terra Estação

de Terra


Comunicações Via Satélite: Serviços

Telecomunicações

Comunicações pessoais

Difusão

Posicionamento (GPS -Global Positioning System)

Detecção remota

Estudo da Terra

Meteorologia

Apoio à agricultura

Espionagem


Serviços Móveis, Fixos e de Difusão

Serviços fixos por satélite (Fixed Satellite

Services, FSS), p.e. INTELSAT, EUTELSAT

Serviços móveis por satélite (Mobile

Satellite Services, MSS), p.e. INMARSAT

Serviços de difusão por satélite

(Broadcast Satellite Services, BSS), p.e.

EUTELSAT, ASTRA


Competindo com a Fibra Óptica …


Comunicações Via Satélite

Vantagens

Ligações a grande distância utilizando um único repetidor (o satélite).

Vastidão da zona de cobertura (continente, país, ou região de um país).

Ausência de condutas, postes ou outros requisitos logísticos.

Cobertura de zonas de difícil acesso, onde instalações fixas são impraticáveis ou onde as infra-estruturas de telecomunicações são inexistentes.

Comunicações móveis sem fios, independentemente da localização (aéreas, marítimas ou pessoais); serviços únicos de apoio à navegação e à aeronáutica.

Baixo custo por receptor adicionado.

Desvantagens

Grande atraso introduzido (~ 300 ms por salto, para os satélites GEO)

Custo do satélite e do seu lançamento.

Difícil manutenção.


Breve Resenha Histórica (1)

1945 – Arthur C. Clarke sugere, num artigo publicado na revista Wireless

World, a possibilidade de comunicações “globais” através do uso de 3 satélites

em órbita geoestacionária;

1954 – A Lua é utilizada como repetidor passivo, mantendo-se um serviço

regular para transmissão de voz entre o Haway e Maryland, no período 1956-

1962;

1957 – É lançado o Sputnik I, o primeiro satélite Russo, com órbita a 950 km

de altura. Manteve-se operacional durante 62 dias. EUA “aceleram” programa

espacial;

1958 – É lançado o Explorer I, o primeiro satélite americano. Manteve-se

operacional durante 5 meses;

1964 – Estabelece-se a International Telecommunications Satellite

(INTELSAT), organização internacional na qual Portugal esteve representado

através da Marconi.

1965 – É lançado o primeiro satélite da INTELSAT, conhecido como Early

Bird ou Intelsat I;

(...)


Breve Resenha Histórica (2)

A concorrência Rússia-EUA levou à

intensificação das investigações e ao

lançamento de novos satélites. Em

1975, existem várias redes de satélites

para comunicações comerciais:

INTELSAT, MARISAT,

INMARSAT, ....

(...)

1998 – Aparecem as primeiras redes

de satélite com cobertura global:

IRIDIUM (66 satélites) e

GLOBALSTAR (48 satélites).

Torna-se possível a comunicação

entre quaisquer dois pontos da

Terra, utilizando terminais

portáteis.


Projecto de um Satélite

O lançamento de um satélite em órbita geoestacionária implica que este deva ser

acelerado até uma velocidade de 3070 m/s numa órbita equatorial a 42242 km do

centro da Terra.

Existem essencialmente 2 tecnologias para lançar um satélite:

Foguetões, tipo Ariane (Europa)

Veículos tripulados, tipo Space Shuttle (EUA)

O custo e as limitações do lançamento levam a que este seja normalmente feito usando

2 passos. A latitude do local de lançamento determina a inclinação da órbita de

transferência e logo o gasto de energia na correcção da inclinação.

O peso do satélite determina fortemente o seu tempo de vida e a sua capacidade de

transmissão. A forma do satélite é fortemente determinada pelo esquema de correcção

da órbita e pela área mínima de painéis solares.

O Space Shuttle tem as vantagens e desvantagens de um veículo tripulado: intervenção

no espaço, limitações físicas no lançamento, veículo recuperável, maior capacidade de

transporte.

A duração dos eclipses do satélite pode atingir 70 minutos por dia o que põe problemas

à potência de emissão no satélite.


Evolução das Comunicações Via Satélite

Peso,

Tamanho


Evolução dos Satélites INTELSAT


Evolução dos Satélites INTELSAT (cont.)


Arquitectura dum satélite de comunicações


Arquitectura (cont.)


Exemplo: Intelsat VI

Telecommunications satellites have simplified the placement of transoceanic calls, and that simplicity has resulted in such an increase in overseas calls that the size and


Exemplo: “Kizuna”

Satélite de comunicações Japonês, lançado em 2008


Bandas de Frequência Utilizadas

As bandas de frequência a utilizar nas comunicações por satélite são

definidas pela ITU-R e atribuídas aos vários serviços pela WARC

(World Administrative Radio Conference), um sub-grupo da ITU-R.

As bandas de frequência do espectro radioelétrico mais favoráveis

para as comunicações via satélite, situam-se entre 1 GHz e 10 GHz, já

que:

a absorção pelos gases da atmosfera, ou pela chuva, tem pouca

importância nesta faixa de frequências;

o ruído, quer galáctico quer produzido pelo Homem, é mais intenso para

frequências mais elevadas;

bom desenvolvimento tecnológico para estas frequências (tecnologia

madura);

atenuação em espaço livre inferior à verificada para frequências mais

elevadas.


O elevado número de serviços

terrestres na faixa 1-10 GHz e a

ocupação desta faixa por vários

serviços de satélite, conduziu à

utilização de bandas de

frequências superiores aos 10

GHz, existindo actualmente

serviços comerciais nas bandas

Ku e Ka.

De notar que, devido às

limitações de potência no

satélite, o percurso descendente

é mais crítico que o ascendente,

justificando que lhe sejam

usualmente atribuídas bandas

de frequências mais baixas que

as utilizadas para o percurso

ascendente.

Nome da Banda Gama de Frequência

HF-band 1.8-30 MHz

VHF-band 50-146 MHz

P-band 0.230-1.000 GHz

UHF-band 0.430-1.300 GHz

L-band 1.530-2.700 GHz

S-band 2.700-3.500 GHz

C-band Downlink: 3.700-4.200 GHz

Uplink: 5.925-6.425 GHz

X-band Downlink: 7.250-7.745 GHz

Uplink: 7.900-8.395 GHz

Ku-band (Europe) Downlink: FSS: 10.700-11.700 GHz

DBS: 11.700-12.50 0 GHz

Uplink: FSS: 14.000-14.800 GHz;

DBS: 17.300-18.100 GHz

Ku-band (America) Downlink: FSS: 11.700-12.200 GHz

DBS: 12.200-12.700 GHz

Uplink: FSS: 14.000-14.500 GHz

DBS: 17.300-17.800 GHz

Ka-band Roughly 18-31 GHz


Órbitas Típicas para Satélites de

Comunicação

Órbitas circulares:

GEO – geostationary Earth orbit

( 36 000 km de altitude)

MEO – medium Earth orbit ( 5 000

a 15 000 km de altitude)

LEO – low Earth orbit (700 a 900

km de altitude)

Órbitas elípticas:

HEO – high elliptical orbit


Cinturas de Van Allen

Existem duas zonas de elevada radiação – cinturas de Van Allen – à

distância da Terra de 1500-5000 km e 15000-20000 km. A radiação

existente nestas zonas deteriora fortemente o equipamento dos

satélites, impossibilitando a utilização de satélites em órbita nessas

zonas.

Abaixo dos 200 km não é tecnicamente possível a manutenção de um

satélite, devido ao seu baixo tempo de vida por deterioração e

aquecimento.


Características das Órbitas GEO, LEO e

HEO


A Órbita (versão simplificada para órbitas circulares)

Considerando que estão em presença a Terra e o satélite, deve ter-se em

conta

FORÇA DE ATRACÇÃO entre 2 corpos (Lei de Newton)

fa = k M m / r2

onde k é a constante de gravitação, M a massa da Terra, m a massa do

satélite e r a distância entre os 2 centros de massa (raio da órbita)

FORÇA CENTRÍFUGA provocada pelo movimento de translacção

fc = m 2 r

onde é a velocidade angular da órbita (rad. s-1)


A Órbita (versão simplificada para órbitas circulares)

Para que a órbita seja estável, é necessário que as 2 forças em presença se

equilibrem ou seja

fa = fc

o que implica que

r3 = k M / 2

ou

r3 (km) = 5075, 6277 T 2 (hora)

r (km) = 5075, 6277 T 2/3 (hora)

que corresponde ao enunciado da 3ª Lei de Kepler: o cubo do raio da

órbita é proporcional ao quadrado do respectivo período.


Satélite Geosíncrono

Um satélite diz-se geosíncrono quando tem um período orbital igual ao

período de rotação da Terra ou seja T = 23 h 56 min 4.1 s.

O período de rotação da Terra vale

T = (360o + ) / 24 com = 360o /365.25 => T = 360o / T 23.9345 h

Como r (km) = 5075, 6277 T 2/3 (hora) então:

T= 12 h r = 26604 km Alt. = 22231 km

T= 23.9345 h r = 42154 km Alt. = 35781 km

T= 24 h r = 42231 km Alt. = 35858 km


Satélite Geoestacionário

No contexto das órbitas possíveis, tem especial interesse para as

Telecomunicações a órbita geoestacionária que

É geosíncrona ou seja tem uma duração igual ao período de rotação da

Terra

É equatorial ou seja situa-se no plano do Equador

Os satélites com órbita geoestacionária têm a propriedade de,

observados a partir da Terra, parecerem imóveis no espaço.


Ângulo de fogo da antena de Terra

O ângulo de fogo com que a estação de Terra „olha‟ o satélite deve ser

superior a 0o (Intelsat especifíca > 5o) para que:

A Terra não obstrua a visão do satélite

O percurso na atmosfera seja minimizado

A contribuição da presença da Terra no ruído do receptor na estação de Terra

seja limitada

)sin(

/)cos(arctan

l

rrl T

: ângulo de fogo

l : latitude da estação

rT : raio da Terra

r : raio da órbita

o

ol

7.8

3.810


Cobertura da Terra por Satélite

Um satélite em órbita geoestacionária pode comunicar com estações de

Terra situadas numa zona correspondente à intersecção de um cone com

vértice no satélite e semiabertura de = 8.7o e a própria Terra.

Zona coberta na Terra entre 81.3o N e 81.3o S.

Se se excluirem as zonas polares, é possível com 3 satélites em órbitas

geoestacionárias cobrir praticamente toda a superfície da Terra.


Cobertura da Terra por Satélite: INMARSAT


Rede Intelsat

10-02 @ 3590 E


10-02 @ 3590 E


Ku-band Spot 1


Especificações (Intelsat)

EIRP do satélite

Factor de Mérito da estação de Terra

Densidade de potência a colocar no satélite


Parâmetros Relevantes

Satélite – Potência Isotrópica Equivalente Radiada ou Equivalent Isotropic

Radiate Power (EIRP)

EIRP = Ps + Gs [dBm, dBW]

equivale à potência radiada por uma antena isotrópica

Estação de Terra – Densidade de potência a colocar no satélite

= PT + GT – 10 log10 (4 d2) [dBW/m2]

Estação de Terra - Factor de Mérito (G/T)

(G/T) = 10 log10 (gT /Teq) [dB/K]

onde Teq é a temperatura equivalente de ruído da estação de Terra e gT é o

ganho da antena da estação de Terra.


Temperatura equivalente de ruído

Considere-se o quadripolo

onde

g – ganho de potência

BW – largura de banda equivalente de ruído

F – factor de ruído

Ti – temperatura da fonte de ruído (térmico) na entrada

Tem-se

so=g si

ni = k Ti BW (k=1.3810-23 J/K – constante de Boltzman)

no=g ni+nint onde nint é o ruído gerado pelo quadripolo

F = (s/n)i / (s/n)o = 1+ nint /(gni) = 1+ nint /(gk Ti BW )=1+Te /Ti

F=1+ Te /Ti , onde Te é a temperatura equivalente de ruído do quadripolo

e Te= nint /(gkBW )

Tig, Bw, F

so ,nosi ,ni

Dimensão: Kelvin


Temperatura equivalente de ruído (cont.)

F=1+ Te /Ti : factor de ruído; Fo=1+ Te /To : factor de ruído padrão

Como no=g ni+nint no=g k Ti BW + g k Te BW = g k BW (Ti +Te)

Ti g, Bw, F g, Bw

ideal

Ti

Te

Associação em cadeia de quadripolos

Tig1, F1 g2, F2

g3, F3g1 g2

g3Ti

Tcadeia=

ideais

21

3

1

21

gg

T

g

TT ee

e

Temperatura padrão (290 K)


Temperatura Equivalente de Ruído da

Estação de Terra

Para avaliar o desempenho da ligação no percurso descendente, é necessário

calcular o ruído térmico total introduzido pela cadeia de elementos activos e/ou

passivos da estação receptora, bem como o ruído térmico captado pela antena.

Para isso, define-se a Temperatura equivalente de ruído da estação, Teq

Ta – temperatura de ruído captada pela antena

F – factor de ruído da cadeia de quadripolos que constituem a estação

Ter – temperatura equivalente de ruído da cadeia de quadripolos, referida aos terminais de

entrada da cadeia

Bw – largura de banda equivalente de ruído da cadeia

(s/n)i, (s/n)o– relação sinal-ruído à entrada e à saída da cadeia

gT – ganho da antena da estação de Terra

gc – ganho da cadeia

Teq = (Ta + Ter) – temperatura equivalente de ruído da estação de Terra

Guia Receptor

Ta

F, Ter

, Bw

, gc

gT Pré -

amplificador

(G/T) = 10 log10 (gT /Teq) (dB/K)

Factor de mérito


Temperatura Equivalente de Ruído da

Estação de Terra (cont.)

Como atrás se deduziu:

no = gc k Teq Bw

Nota: k=1.3810-23 J/K – constante de Boltzman

A temperatura equivalente de ruído da estação é Teq=Ta+Ter e o ruído na

recepção, referido aos terminais de entrada, pode ser calculado por:

n = k Teq Bw

O parâmetro (G/T) = 10 log10 (gT /Teq) (dB/K)

permite caracterizar o desempenho da estação de Terra, sendo designado

por Factor de Mérito da estação.


O Percurso Ascendente - Uplink

O percurso ascendente é o percurso entre a estação de Terra emissora e o satélite,

receptor. Este percurso é menos crítico que o percurso descendente e por isso

funciona normalmente a uma frequência mais elevada, p.e. 6/4 GHz ou 14/11 GHz.

A densidade de potência colocada no satélite pela estação de Terra é

= PT + GT – 10 log10 (4 d2) [dBW/m2]

Do ponto de vista do ruído, o satélite comporta-se como um simples amplificador

com um certo ganho e factor de ruído.

Para cada satélite e gama de frequência, a INTELSAT especifica a densidade de

potência a colocar no satélite.

ascendente descendente


Especificações (Intelsat)

EIRP do satélite

Factor de Mérito da estação de Terra

Densidade de potência a colocar no satélite


O Percurso Descendente - Downlink

O percurso descendente é o percurso entre o satélite emissor e

a estação de Terra, receptora. Este percurso é o mais crítico

devido às limitações de potência no satélite.

A relação sinal-ruído na estação de Terra (considerando apenas o percurso

descendente) vem:

C/N=PS + GS + GT – Lfs - 10 log10 (KTeqBw)=EIRP + G/T - Lfs - 10 log10 (KBw)

A atenuação do percurso é normalmente calculada para a situação mais

desfavorável ou seja para os ângulos de fogo mais baixos. A INTELSAT

especifica um ângulo de fogo mínimo de 5o para o qual se tem d=41118 km.

Sendo EIRP e G/T especificados pela INTELSAT para cada gama de frequência,

C/N fica essencialmente dependente da largura de banda.

Nas comunicações via satélite, o desvanecimento deixa de ser importante devido

ao ângulo com que se atravessa a atmosfera mas a atenuação da chuva continua

a ser relevante.

Para ligações via satélite digitais, a qualidade de referência é normalmente uma

taxa de erros de 10-6.


Relação C/N Global do Sistema

A relação sinal-ruído do sistema global, (c/n)T, e que determina a taxa de erros

binários (BER) na estação de Terra, pode-se relacionar com as relações sinal-ruído

para cada um dos percursos considerados de forma independente:

(c/n)a – relação sinal-ruído no percurso ascendente;

(c/n)d – relação sinal-ruído no percurso descendente, calculada como atrás

exposto, i.e., de forma independente do percurso ascendente;

(c/n)T – relação sinal-ruído global na estação de Terra, i.e., considerando o

efeito combinado dos dois percursos.

Uma vez que a relação sinal-ruído do sistema resulta do “paralelo” das relações

sinal-ruído em cada um dos percursos, o desempenho global do sistema é

normalmente condicionado pelo percurso com a relação sinal-ruído mais baixa.

1

11 )()()(

daT

n

c

n

c

n

c


Porquê o paralelo das relações c/n ?

na – potência do ruído introduzido no

percurso ascendente

pra – potência do sinal recebido no

percurso ascendente

nd – potência do ruído introduzido no

percurso descendente

prd – potência do sinal recebido no


nT – potência do ruído total na estação de

Terra

g – ganho do amplificador do satélite

gS – ganho da antena emissora do satélite

gT – ganho da antena receptora da estação

de Terra

lfs – a atenuação em espaço livre no


g

R

pra ; na

gS

gT

lfs

prd ; nT


a

raa

n

p

n

c)(

fs

TS

ra

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TSrard

l

ggL

gLpl

gggpp

com

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gLp

n

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)(

da

radraa

rada

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n

c

gLpnpn

gLpngLn

ngLn

gLp

n

p

n

c

Relação sinal-ruído no percurso ascendente:

Potência de sinal recebido no percurso descendente:

Relação sinal-ruído no percurso descendente:

Relação sinal-ruído do sistema global:

g

R

p ra ; na

gS

gT

lfs

p rd ; nT


Níveis de

Potência de

SinalLink Power Budget

Exemplo para um

satélite INTELSAT

Saída da Terra

Chegada

ao satélite

Saída do

satélite

Chegada à Terra


O Sistema de Comunicações

O sistema de comunicações é a

componente principal de um

satélite de comunicações ainda

que possa não constituir a parcela

maior em termos de peso e

volume.

O sistema de comunicações é

basicamente constituído por uma

ou mais antenas e um conjunto de

receptores e emissores que

recebem, amplificam e

retransmitem os sinais.

As unidades básicas de recepção-

emissão são conhecidas como

transpositores (transponders). INTELSAT V


Arquitectura de um Transpositor

Existem vários transpositores por satélite, cada um a operar numa

fracção da banda disponível. Por exemplo, o INTELSAT IV tem 12

transpositores de 36 MHz cada.

Transpositor (transponder)

Front end

Translacção

de

frequênciaAmplificador

fafd

G 80 – 100 dB

(vários andares de amplificação)


O Acesso Múltiplo

O acesso múltiplo corresponde à possibilidade de um elevado número de

estações de Terra comunicarem simultaneamente através do mesmo satélite.

O acesso múltiplo influencia todos os blocos do sistema, determina a sua

capacidade e flexibilidade e é fundamental para o seu custo e rentabilidade.

O problema básico em questão é como permitir a um grupo variável no

tempo de estações o uso simultâneo dos recursos do satélite de modo a

optimizar:

Capacidade do satélite

Utilização do espectro

Potência do satélite

Interconectividade

Flexibilidade

Adaptabilidade a ‘misturas’ de tráfego

Custo

Aceitação do utente

Como a optimização

simultânea de todas

estas variáveis é

impossível, trata-se de

encontrar o

compromisso possível

entre elas !


Técnicas de Acesso Múltiplo

O acesso múltiplo corresponde à possibilidade de um elevado número de

estações de Terra comunicarem simultaneamente através do mesmo satélite.

Existem 3 técnicas principais de acesso múltiplo:

Acesso múltiplo por divisão na frequência (Frequency Division Multiple Access,

FDMA) – todas as estações usam o satélite ao mesmo tempo mas cada uma usa

uma gama de frequência diferente (comum em transmissão analógica).

Acesso múltiplo por divisão no tempo (Time Division Multiple Access, TDMA)

– as estações transmitem à vez (numa dada gama de frequência) usando os

„slots‟ no tempo que lhe foram atribuídos (comum em transmissão digital).

Acesso múltiplo por divisão no código (Code Division Multiple Access, CDMA)

– várias estações transmitem simultaneamente na mesma frequência sinais

„espalhados no espectro‟, codificados ortogonalmente; a recuperação de um

sinal implica o conhecimento do código usado para „espalhar‟ o sinal no

espectro.


FDMA, TDMA e CDMA


FDMA


TDMA


CDMA


CDMA (cont.)


Notas finais

Os satélites têm vindo a assumir um papel cada vez mais variado em

termos de serviços prestados, p.e. comunicações fixas, móveis e de

difusão. Este papel tem variado ao longo do tempo e dependerá sempre

das alternativas terrestres, guiadas ou não guiadas, que existirem em

cada momento (e das suas características).

Os satélites permitem facilmente coberturas vastas e em zonas de

difícil acesso mas têm a desvantagem do atraso devido às grandes

distâncias percorridas.

A tecnologia para lançamento de satélites é cara e complexa mas

existem cada vez mais países capazes de o fazer.


E no futuro ...

http://telecom.esa.int/telecom/www/object/index.cfm?fobjectid=29325


Bibliografia

Principles of Communications Satellites, Gary D. Gordon,

Walter L. Morgan, John Wiley & Sons, 1993

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