Sistemas de Comunicação via Satélite operando em Banda Ka

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1 Sistemas de Comunicação via Satélite operando em Banda Ka Rolden Baptista 1,2 e Carlos Nazareth Mottas Marins 3 Baptista, R. Marins, C. N. M. rolden.baptista@unimonte.edu.br carlosn@inatel.br 1 UNISANTA Universidade Santa Cecília Departamento de Pós Graduação - Programa de Mestrado em Engenharia Mecânica Rua Oswaldo Cruz, 288 Boqueirão - Santos- SP - Brasil - CEP UNIMONTE Centro Universitário Monte Serrat Rua Comendador Martins, 52, Bairro Vila Mathias CEP: Santos/SP 3 INATEL - Instituto Nacional de Telecomunicações Avenida João de Camargo, 51 - CEP Santa Rita do Sapucaí - MG- Brasil Resumo - A comunicação via satélite está sendo revolucionada com a exploração da banda Ka principalmente na transmissão de dados e acesso à Internet. Com a utilização de uma pequena antena, um modem e um computador pessoal conecta-se através de feixes diretivos a um satélite de altíssima tecnologia que por sua vez concentra num gateway a saída para a Internet. Esta nova tecnologia está globalizando e universalizando o acesso banda larga em lugares antes não possíveis. O desvanecimento do sinal pela chuva é seu grande empecilho, mas está sendo contornado por técnicas de Modulação e Codificação Adaptativas, Controle de Potência no Up-link e distribuição geográfica dos gateways. Palavras chave: Banda-Ka, Banda larga, Satélite, Internet, desvanecimento pela chuva, VSAT. Abstract - The satellite communication is being revolutionized by the exploitation of the Ka-band mainly in data transmission and Internet access. With the use of a small antenna, a modem and a computer connects to the direct beam through a high-tech satellite which in turn focuses the output into a gateway to the Internet. This new technology is globalizing and universalizing broadband access in places previously not possible. The fading of the signal by rain is its major drawback, but is being circumvented by techniques Adaptive Coding and Modulation, Power Control Up-link and the geographical distribution of gateways. Keywords: Ka-band, Broadband, Satellite, Internet, Rain fading, VSAT. I. INTRODUÇÃO A comunicação via satélite tem sido sinônimo de altíssima tecnologia e ótima qualidade nas transmissões e recepções de qualquer tipo de informação (Figura 1). Os satélites geoestacionários operam em variadas faixas de freqüência tais como as bandas C, X, Ku, K e mais recentemente a Ka (K above). A Figura 2 mostra a largura de faixa de freqüência para cada uma das bandas citadas e na Tabela I há a abertura das freqüências em UPLINK e DOWNLINK C X Ku K Ka Fig. 1. Transmissão e Recepção via satélite (UPLINK e DOWNLINK) [1]. Fig. 2. Banda das Freqüências C, X, Ku, K e Ka. ISSN

2 TABELA I FREQUÊNCIAS DE UPLINK E DOWNLINK POR BANDA Banda UPLINK DOWNLINK C 5,925-6,425 * 3,7-4,2 X 8 7 Ku 12,75-13,25 13,75-14,5 10,7-12,75 Ka 27,5-30,0 17,7-20,2 * Extended C - Uplink 6,425-6,725, downlink 3,4-3,7. A banda C é a grande protagonista e concentra a maior parte dos tipos de comunicação como Truncking (Telcos), Broadcasting (TV s) e Networking (bancos, empresas de petróleo e governo) com antenas receptoras grandes tipicamente da ordem de 1,8 a 2,4m de diâmetro. A banda C tem sofrido diversos casos de saturação dos receptores nas áreas de TV (TVRO Television Receive Only) e dados (VSAT - Very Small Aperture Terminal) localizados próximos aos transmissores das estações do sistema WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) (operando entre 3,4 e 3,6). Isto tem sido resolvido com a substituição dos filtros dos equipamentos [2]. A banda X é usada especificamente para fins militares. Para as bandas Ku e Ka as antenas receptoras são tipicamente da ordem de 0,2 a 0,9m de diâmetro e operam principalmente no serviço de Televisão DTH (Direct to Home) e comunicação de dados com estações VSAT em aplicações corporativas. Uma revolução na comunicação via satélite está ocorrendo através da exploração da banda Ka principalmente para transmissão de dados e mais especificamente nas conexões de acesso à Internet. Com alta robustez, alto desempenho e altíssima velocidade, este novo serviço está sendo explorado por algumas operadoras na Europa e EUA. Como o tráfego de dados está crescendo num ritmo muito mais rápido do que o tráfego de voz há um grande interesse entre os projetistas de rede por satélite em aplicações de tecnologias avançadas, visando aumentar a capacidade de manipulação de dados dos transponders dos satélites existentes e principalmente dos previstos. A grande desvantagem da utilização da comunicação via satélite na banda Ka e Ku é o desvanecimento do sinal principalmente pela chuva em regiões de clima tropical e equatorial, diferentemente da banda C onde este efeito é muito baixo. Esta desvantagem pode ser contornada por técnicas de Codificação e Modulação Adaptativas e Controle de Potência no Uplink. II. SATÉLITE OPERANDO EM BANDA Ka Atualmente um grande problema para a evolução das comunicações sem fio e também para as comunicações via satélite é a limitação do espectro de freqüência. As freqüências abaixo de 10 estão congestionadas e as bandas Ku e Ka estão sendo exploradas com aplicações via satélite a fim de fornecer nova opção para novos serviços. A banda Ka tem a vantagem de poder disponibilizar serviços com velocidades de transmissão muito elevadas e sua utilização vem crescendo mundialmente marcando presença nos mercados Europeu e Americano. As comunicações via satélite em altas velocidades na banda Ka proporcionam compartilhar dados e informações com muitos usuários através de um sistema global muito vantajoso tanto para os usuários como para as empresas operadoras que podem ampliar sua prestação de serviço em mercados muito amplos. Um fato de grande destaque aconteceu em abril de 2008 onde foi lançado o satélite SPACEWAY 3 de banda Ka com a capacidade de 10 Gbps de throughput e múltiplos feixes diretivos com flexibilidade de capacidade de alocação de recursos, possibilitando novos serviços para empresas, consumidores e aplicações do governo [3]. No segundo trimestre de 2010 somente uma empresa nos EUA já tinha um parque de clientes ativos com mais de 550 mil assinantes de banda larga satelital [4]. Para próxima geração de satélites está sendo prevista uma capacidade de throughput de 100Gbps, ou seja, 100 vezes maior que a capacidade de um satélite típico de banda Ku [5]. Com esta nova concepção de satélites será possível aperfeiçoar o acesso à banda larga, ter múltiplos feixes diretivos de banda Ka, avançar as taxas de modulação de ordem superior e principalmente muito mais velocidade de downloads para o usuário final. III. REUSO DE FREQÜÊNCIAS COM FEIXES DIRETIVOS (SPOT-BEAMS) A utilização de spot-beams é uma técnica de reuso de freqüência devido ao seu espectro ser um recurso cada vez mais escasso. A quantidade de espectro disponível para comunicações espaciais está ficando muito limitada e a demanda por comunicações continua a aumentar. Uma solução é utilizar-se de frequências mais altas e outra é empregar técnicas de reutilização das mesmas freqüências muitas vezes. Na Banda Ka há a possibilidade de utilização do reuso de freqüência com feixes bastante diretivos denominados spotbeams que divide a área de cobertura como se fossem pequenas células com diâmetro da ordem de 500km [6]. Fazendo-se um isolamento espacial e geográfico entre os diferentes pontos de gateways há a possibilidade do reuso de espectro de freqüências numa mesma polarização. Desta forma, cada diferente gateway se comunica com o satélite como se fosse uma sub-rede deste, operando de forma racional o recurso de espectro disponível. A comunicação através dos feixes conectados do satélite aos terminais remotos (VSATs) é denominada como user beam e a comunicação dos feixes conectados do satélite às estações concentradoras gateways é conhecida como gateway beam. A portadora de comunicação do sentido gateway- ISSN

3 VSAT é chamada de Forward Link ou Outbound e no sentido contrário, ou seja, VSAT-gateway é chamada de Return Link ou Inbound conforme Figura 3. Na arquitetura dos sistemas via satélite de banda Ka emprega-se a técnica de feixes diretivos para obter uma máxima eficiência do reuso da freqüência. Assim, a banda Ka, pode cobrir uma determinada região como se esta fosse dividida por células. Fig. 3. VSAT-Satélite-Gateway [6]. Desta forma, consegue-se um incremento da capacidade do sistema. Em geral, esta técnica de utilização dos feixes diretivos de banda Ka pode prover de 30 a 60 vezes a capacidade dos sistemas de primeira geração em Bandas Ku ou C [7]. Esta arquitetura em células de feixes diretivos traz a vantagem de operar com EIRP (Equivalent Isotropic Radiated Power) e G/T (Gain to noise Temperature ratio) do satélite com níveis bastante elevados tipicamente na ordem de 70dBW e 20dB/k para banda Ka enquanto que para a banda Ku estes valores são tipicamente da ordem de 50dBW e 4,5dB/k, respectivamente para EIRP e G/T [1]. Na Figura 4 há um exemplo de uma operadora dos EUA que utilizou o reuso de frequência com feixes diretivos de banda Ka. A cobertura demonstrada na Figura 4 para os Estados Unidos é feita com 31 feixes diretivos (spot-beams) e com isto obteve-se um ganho de 10 vezes sobre a capacidade de banda Ku. Esta operadora possui atualmente mais de 500mil clientes ativos nos EUA [8]. Praticamente todas as antenas de feixes diretivos possuem lóbulos que sobrepõem outros feixes e também possuem imperfeitas isolações de polarização. A maioria dos centros populacionais está próximo uns dos outros e isto freqüentemente delibera feixes com sobreposição adjacente para que não se perca cobertura entre os feixes. Um caso bem realista é o visto na Figura 4, na cobertura de uma operadora de banda Ka nos EUA. Na Figura 5 pode-se didaticamente representar que há 20 feixes circulares e quatro diferentes frequências. Os feixes adjacentes devem ter frequências diferentes. Por exemplo, têm-se sete feixes denominados de 2 e estão separados entre si. Supondo-se que há m feixes e a frequência é dividida em quatro partes iguais, no total do reuso teórico há m/4 e neste caso m será 20 e, portanto, há disponível 5 reusos possíveis. A sobreposição de feixes é um tema muito estudado e que ainda apresenta muitas limitações. Por exemplo, uma área de cobertura num deserto possui pequeno tráfego enquanto que a mesma cobertura numa grande cidade exigirá maior capacidade de tráfego. Isto irá requerer uma desigual distribuição de freqüências e reduzirá o número teórico de reuso de freqüência e a capacidade de canal. As antenas de satélite continuam sendo customizadas para prover cobertura em certas partes do planeta e ignorando outras. Fig. 5. Cluster de feixes diretivos spot beams (números mostram sub-banda de freqüência) [9]. IV. ATENUAÇÃO PELA CHUVA Fig. 4. Exemplo de feixes diretivos (Operadora WildBlue EUA) [8]. Os fatores que afetam a propagação de ligações de qualquer banda por satélite são: atenuação por chuvas, antena molhada, despolarização devido à chuva e gelo, absorção de gases, atenuação na nuvem, atenuação da camada de fusão e cintilação ionosférica [7]. No entanto, dentre todos estes ISSN

4 fatores, a atenuação por chuva é a mais significativa, principalmente em regiões de clima tropical e equatorial. Na atenuação por chuva pode-se fazer um comparativo para cada banda de freqüência (C, Ku, K e Ka) através do fator de atenuação por chuva ( ) por enlace que é calculado através dos coeficientes numéricos, e a taxa pluviométrica conforme apresentado na equação (1). é a taxa pluviométrica para 0,01% da média anual e neste breve comparativo utiliza-se o valor de 95mm/h. Cruzando-se os coeficientes numéricos e com as referidas freqüências obtém-se os valores dos coeficientes para cada banda (Figuras 6 e 7). (1) Assim pode-se chegar a valores típicos para o fator de atenuação em cada banda conforme a Tabela II. O comparativo da Tabela II mostra que o fator de atenuação fica mais alto para frequências muito altas. Tipicamente estes são os valores para as frequências dos satélites geoestacionários para uma taxa pluviométrica em 0,01% da média anual em 95mm/h. Percebe-se que nas bandas Ku, K e Ka o fator de atenuação por chuva é muito mais alto se comparado com a banda C. Isto demonstra uma desvantagem do sistema para regiões com alta taxa pluviométrica. A transmissão na frequência da banda Ka é extremamente afetada por condições meteorológicas de chuvas fortes em regiões de clima tropical e equatorial, diferentemente da banda C onde este efeito é muito baixo. Fig. 6. Gráfico coeficiente pela freqüência [10]. Fig. 6. Gráfico coeficiente pela freqüência [10]. Fig. 7. Gráfico coeficiente pela freqüência [10]. ISSN

5 TABELA II COMPARATIVO FATOR DE ATENUAÇÃO PARA CADA BANDA Os cenários de desvanecimento de sinal do enlace do satélite pela chuva podem produzir diversas taxas de transmissão e recepção de dados variando de acordo com as tecnologias usadas para compensação, tais como a modulação e codificação adaptativas e o controle de potência no UPLINK. Para regiões de alto desvanecimento pela chuva pode-se melhorar a disponibilidade usando-se antenas maiores [6]. V. MODULAÇÃO E CODIFICAÇÃO ADAPTATIVA Modulações de ordem superior estão sendo estudadas pelos projetistas para poder aumentar a quantidade de bits por segundo realizáveis por hertz (bps/hz) em comparação com o QPSK (Quadrature Phase Shift Key). As modulações mais comuns de ordem superior disponíveis para comunicação via satélite são 16-APSK, 32-APSK (Amplitude and Phase-Shift Keying), 8-PSK (Phase Shift Keying) e 16-QAM (Quadrature Amplitude Modulation) [7]. Atualmente para aperfeiçoar a utilização da banda de transmissão e aumentar sua velocidade os sistemas de Televisão Digital têm utilizado o sistema DVB-S (Digital Video Broadcasting-Satellite) que está evoluindo para o DVB-S2 que prevê serviços de HDTV (High Definition Television), serviços interativos, acesso à Internet e transmissão de dados. O DVB-S2 é uma alternativa para a operação da banda Ka, pois através de um forte esquema de codificação baseado em VCM (Variable Coding e Modulation) e ACM (Adaptative Coding e Modulation) otimizam a utilização da banda de transmissão [11]. A tecnologia ACM é uma evolução da tecnologia VCM e tem a capacidade de configurar a modulação e a codificação de forma dinâmica. Por meio de um canal de retorno, o modulador é informado pelo receptor do estado de qualidade de um canal em sua recepção conforme na Figura 8. O modulador ajusta seus limiares somente se forem necessários, ou seja, se for atingida uma condição marginal na recepção. Isto ocorre simultaneamente para vários serviços distintos. VI. CONTROLE AUTOMÁTICO DE POTÊNCIA NO UPLINK Um sistema de controle de potência no UPLINK basicamente pode prover uma compensação automática da EIRP em portadoras transmitidas de uma estação terrena. O nível de EIRP da antena receptora do satélite é fixado pelo controle de potência no UPLINK com as compensações necessárias [12]. O conceito deste dispositivo está primeiramente em se ter conhecimento do nível de potência utilizado no UPLINK numa condição sem desvanecimento, ou seja, de céu totalmente limpo de nuvens. Assim o sistema aumenta ou diminui a EIRP conforme a variação das condições do clima. Fig. 8. Diagrama em Bloco da Compensação do Sinal. ISSN

6 Esta percepção da variação das condições do clima é tratada através de tensão CC (corrente contínua) percebida no receptor e assim através de um algoritmo de controle de EIRP as compensações necessárias são feitas numa tentativa de se voltar para as condições de EIRP sem desvanecimento [12]. VII. ACESSO INTERNET VIA SATÉLITE NA BANDA Ka A Banda Ka está sendo utilizada para o serviço de acesso à Internet e suas redes são do tipo estrela. Para o acesso à Internet são necessários: uma antena diretiva pequena da ordem de 0,2 a 0,9m de diâmetro conforme Figura 9, um modem e um computador pessoal. A instalação do conjunto de equipamentos consome aproximadamente uma hora [6]. Fig. 9. Foto ilustrando uma antena de banda Ka [13]. Os terminais VSATs se comunicam com estações concentradoras denominadas gateways através do satélite conforme Figura 10. Estes gateways necessitam ter uma grande capacidade de troncos de entrada e saída, pois concentram a comunicação e o tráfego com a Internet [1]. Na Europa há uma operadora que está investindo numa cobertura de banda Ka de alto rendimento e assim poderá atender às demandas regionais em áreas afastadas como nas áreas rurais, por exemplo. Os internautas europeus poderão desfrutar dos mesmos direitos de acesso sem importar onde se encontram. Este sistema na Europa será uma mudança total e radical no que é a telecomunicação. Qualquer pessoa em qualquer lugar poderá ter acesso à banda larga em alta velocidade onde antes era absolutamente impossível. Não somente as zonas rurais como também nas grandes cidades [6]. Uma melhora que os internautas europeus já tinham esperado muito e com altas taxas de transmissão e recepção. Pelas condições meteorológicas da Europa se espera que não ocorram problemas na hora que mais se necessita do serviço. Planos mais audaciosos e ambiciosos estão sendo estruturados pelas empresas operadoras em parceria com os fabricantes de satélites. A empresa Inglesa Inmarsat anunciou em agosto de 2010 que contratou a Boeing, fabricante aeroespacial dos EUA, para a compra de três satélites com base na plataforma 702HP de banda Ka. Esta constelação denominada de Inmarsat-5 permitirá uma única rede global de alta velocidade para o serviço de banda larga móvel [14]. Com operação prevista para 2014, a constelação Inmarsat- 5 irá suportar um serviço Global de próxima geração denominado de Global Xpress que terá como alvo um mercado incremental de US$1,4bilhão em serviços VSAT. A Global Xpress proporcionará uma cobertura global de banda larga móvel sem precedentes com velocidades de até 50Mbps (Downlink) para terminais VSAT com antena de 0,2 a 0,9m de diâmetro. A Boeing concordou em se tornar parceira de distribuição da Inmarsat nos serviços de bandas Ka com o précompromisso de compra de mais de 10% da capacidade da meta do Inmarsat em banda Ka. A Inmarsat estima que o custo total da constelação Inmarsat-5 e Global Xpress será da ordem US$1,2 bilhão ao longo de quatro anos e meio e estima um retorno de US$500 milhões após cinco anos do lançamento deste serviço global. Cada satélite da constelação do Inmarsat-5 terá 89 spot-beams proporcionando flexibilidade de capacidade em todo o mundo e permitindo que a Inmarsat possa se adaptar às mudanças nos padrões de perfil do usuário final durante os 15 anos de vida projetada para os satélites [15]. VIII. CONCLUSÃO Fig. 10. Rede VSAT-Internet (Distribuição geográfica de Gateways) [9] Verifica-se que a globalização e a universalização do acesso à Internet encontra um grande aliado nesta nova tecnologia de comunicação via satélite disponível através da banda Ka. Percebe-se que o pioneirismo das operadoras que ingressaram nos mercados americano e europeu está dando encorajamento para planos ainda maiores e mais ousados. A aposta na capacidade e robustez da banda Ka está cada vez mais intensa e os investimentos tanto na produção de satélites quanto no domínio das técnicas de acesso são altos pois, a demanda por transmissão de dados via satélite está ISSN

7 cada vez maior. O satélite SPACE WAY 3 com capacidade de 10Gbps lançado em 2008 foi um marco importante na história do acesso à internet via comunicação por satélite. A próxima geração de satélite de alto rendimento denominado de JUPITER tem previsão de lançamento para o segundo quadrimestre de 2012 e terá capacidade de 100Gbps. Seguindo a tendência mundial as novas gerações de satélites em banda Ka serão de maior capacidade. Os pontos a favor desta tecnologia são muitos, mas um ponto muito crítico a ser levado em consideração é o desvanecimento do sinal através da chuva. Como as freqüências utilizadas na banda Ka são muito altas, nas regiões de clima tropical e equatorial, onde o índice pluviométrico é muito elevado, sofrem com este fenômeno. Algumas opções estudadas pelos pesquisadores para poder contornar o problema de desvanecimento pela chuva são as técnicas de Modulação e Codificação Adaptativas e o Controle de Potência no Uplink. Pode-se concluir que a transmissão de dados via satélite através da banda Ka está revolucionando o acesso à Internet e colaborando na convergência dos serviços de telecomunicações de voz, vídeo e dados com altíssima qualidade, confiabilidade, disponibilidade e taxas de transmissão altíssimas de Gbps/Hz. A otimização do espectro de freqüência, o domínio das técnicas de modulação, reuso de freqüências e distribuição geográfica diminuem os impactos negativos de se utilizar esta nova banda de comunicação via satélite. IX. REFERÊNCIAS [1] Iannelli, Antônio Paolino Multiplicação da Capacidade: Uso de Spot-Beams em Banda Ka Apresentação StarOne, 2010, pp Disponível em umday2010/spectrum-day-2010-star-one-2.pdf consulta realizada em Junho de [2] um-day-2009-star-one-rf.pdf consulta realizada em Março de [3] Rezende, Marcelo High Throughput Satellites in kaband - Apresentação da Empresa Hughes, 2010, pp.13, Disponível em _VSAT_Day_2010.pdf consulta realizada em Junho de N.28 Ano 7 Ed. Paralogike - Santos - SP Brasil ATC3 12/ 2012 [4] consulta realizada em Março de [5] /Pages/default.aspx consulta realizada em Março de [6] Ka-Sat Tooway Vídeo ilustração no Youtube disponível em consulta realizada em Junho de [7] KOTA, SASTRI L. Quality of Service for Broadband Satellite internet ATM and IP Services Paper - Department of Electrical and Information Engineering, Telecommunication Laboratory, University of Oulu, 2002, pp [8] Wildblue WildBlue Satellite Internet Spot Beam's. Disponível em consulta realizada em Julho de [9] L. Morgan, Walter e D. Gordon, Gary Principles of Communications Satellites Wiley-Interscience Pulication, John Wiley & Sons, Inc, USA, 1993, pp [10] Nazareth Motta Marins, Carlos Estudo Analítico e Numérico de um Enlace Digital de Comunicação via Satélite em condição orbital Geoestacionária - Inatel Instituto Nacional de Telecomunicações, Dissertação de Mestrado, Santa Rita do Sapucaí, 2004, pp Disponível em Nazareth%20Motta%20Marins.pdf consulta realizada em Março de [11] consulta realizada em Março de [12] EUTELSAT - Information Notice 9 System Operations Division Note 2000/008/ - Subject: USE OF UPPC (UP-LINK POWER CONTROL UNITS). [13] consulta em Março de [14] sat_angling_nbn_50mbps_satellite_service/ consulta realizada em Março de [15] Inmarsat Inmarsat buys three Ka-band satellites for mobile broadband. Disponível em arsat-5s consulta realizada em Julho de Rolden Baptista Graduado em Engenharia Elétrica com ênfases em Energia e Sistemas de Automação pela UNISANTA Universidade Santa Cecília de Santos - SP. Possui especialização em Engenharia de Telecomunicações e em Gestão Empresarial (INATEL-MG/FECAP-SP). Atua como Engenheiro de Planejamento no Setor de Telecomunicações. Também é professor Universitário na UNIMONTE (Universidade Monte Serrat - Santos- SP) nos Cursos de Manutenção Industrial, Engenharias (Produção, Ambiental e de Petróleo e Gás) e de Gestão em Recursos Humanos e Processos Gerenciais. Mestrando no programa de pós-graduação em engenharia da UNISANTA - Universidade Santa Cecília Santos-SP. Carlos Nazareth Mottas Marins Doutor em Engenharia Elétrica pela Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação da UNICAMP Departamento de Semicondutores, Instrumentos e Fotônica em Mestre em Telecomunicações, pelo Instituto Nacional de Telecomunicações INATEL em Graduado em Engenharia Elétrica, ênfase em Eletrônica e Telecomunicações, pelo INATEL, em Atualmente é Vice-Diretor e Coordenador do Curso de Engenharia de Telecomunicações do INATEL. Atua como professor dos cursos de graduação e pós graduação e é consultor do Inatel Competence Center para projetos de P&D com empresas na área de telecomunicações e eletrônica. ISSN