Redes de Satélites. Rafael Misoczki

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1 Redes de Satélites Rafael Misoczki Departamento de Ciência da Computação -- Instituto de Matemática e Estatística Universidade de São Paulo (USP) São Paulo -- SP Brasil 1. Introdução misoczki@linux.ime.usp.br Hoje em dia, são raros os momentos em que indispomos de redes de comunicação acessíveis, porém, ainda existem situações em que desejamos manter contato com outras pessoas e/ou sistemas, sem ter a disponibilidade destas redes convencionais. Como exemplo, podemos citar o caso das eleições em cidades ou comunidades distantes dos grandes centros, onde há o interesse de contabilização dos votos dessas regiões tão rapidamente quanto nas grandes metrópoles, indispondo de redes. Outros exemplos remetem a situações extremas, tais como ataques terroristas, desastres naturais, entre outros, quando as redes convencionais tendem a ficar saturadas. Nessas situações, são indicadas a utilização das redes via satélite, que se utilizam dos satélites que estão em órbita ao planeta terra para a transmissão de dados. Exemplos de rede via satélite são: Iridium, GlobalStar, entre outras, as quais descreveremos no conteúdo deste texto. 2. Satélites As redes que comentaremos utilizam como meio de transmissão satélites em órbita da terra. Estes objetos são lançados a uma velocidade determinada que possibilita a permanência dos mesmos na atmosfera do planeta. Alguns se movimentam em relação à rotação da terra, ficam estacionados acima de uma localização terrestre (seguem à movimentação seguindo a rotação terrestre) e são conhecidos como geoestacionários. Figura 1: Ilustração de satélite na órbita terrestre

2 2.1 Histórico As primeiras idéias relacionadas a satélites artificiais remetem a 1869, quando Edward Everett Hale publicou na revista The Atlantic Monthly a história The Brick Moon, onde abordava uma idéia inusitada para a época: um objeto lançado propositalmente na órbita da terra. Até mesmo antes disso, muito possivelmente, outras pessoas idealizaram esta idéia, porém, sem os avanços tecnológicos demandados para a concretização desta tarefa, a mesma apenas ficou no imaginário. A seguir, apresentamos uma breve evolução dos satélites artificiais, principalmente no âmbito da comunicação: 4 de Outubro de 1957: Conhecido como Sputnik1, o primeiro satélite artificial é lançado pela União Soviética. 1960: ECHO, o primeiro satélite destinado à comunicação, é lançado. 1963: Primeiro satélite geoestacionário é lançado 1976: Lançados satélites para comunicação marítima 1982: Lançado primeiro satélite para comunicação móvel 1988: Lançado primeiro satélite para transmissão de dados 1993: Telefonia através de satélite torna-se digital 1998: Telefonia celular através de satélites 2.2 Tipos de Satélites É possível classificar os satélites através de diversos critérios, tais como, sua funcionalidade, altitude a que percorrem a órbita terrestre, a excentricidade de sua órbita, pacíficos ou militares, entre tantos outros. Neste texto, estamos interessados em diferenciá-los considerando a sua altitude, já que esta característica acaba por definir uma importante qualidade dos satélites: se são ou não geoestacionários. A seguir apresentamos uma tabela comparativa entre os três tipos de satélites levando-se em conta a altitude: LEO (Low Earth Orbit): Órbita terrestre baixa MEO (Medium Earth Orbit): Órbita terrestre média HEO (High Earth Orbit): Órbita terrestre alta Esta última, também é conhecida como GEO (Geostationary Earth Orbit, em português, órbita terrestre geoestacionária), ou seja, tem a capacidade de estar sempre acima de uma mesma localização terrestre, sendo ideal para tarefas relacionadas à comunicação. Existe uma porção limitada no espaço a ser utilizada pelos satélites geoestacionários. Isto é devido à possível interferência entre os satélites se um estiver a uma distância angular muito próxima. Assim, a fim de evitar esta interferência, os satélites ficam distantes cerca de 4 à 8 graus, o que reduz o número de satélites dispostos nos 360 graus em apenas 45 à 90 satélites. Tipo Altitude (km) Período (aproximado) LEO km 2 h MEO km 6 h HEO Acima de km 24 h

3 O satélite Sputnik1, primeiro satélite artificial da história, orbitava a uma distância de 215km da superfície, portanto se enquadrava no tipo LEO, assim como a Estação Espacial internacional (a 340km) e o telescópio Hubble (a 595km). Já os satélites utilizados para os Sistemas de Posicionamento Global (GPS, sigla em inglês) orbitam entre 2000 a 35578km, portanto são do tipo MEO. 3. Redes de Satélites As redes via satélite destinadas à transmissão de voz e dados têm diversas especificidades. Por exemplo, existem redes destinadas à cobertura total do globo terrestre, já outras, apenas a uma região específica. Outra característica que distingue estas redes refere-se aos aparelhos celulares, ou também conhecidos como terminais, utilizados para a comunicação via satélite. Há alguns poucos anos, estes aparelhos lembravam bastante os telefones celulares dos anos oitenta, porém, atualmente, estão muito próximos aos celulares comuns. Um dos motivos para a baixa empregabilidade desse tipo de comunicação remete ao alto custo tanto do aparelho, quanto das taxas para a comunicação. Um dispositivo móvel recente da rede Iridium, por exemplo, pode custar aproximadamente US$ 1.000,00. Já os custos de ligação variam entre US$3,00 à US$14,00 por minuto. Apesar de ter uma empregabilidade comercial questionável, as redes de transmissão via satélite são muito úteis em situações extremas. Recentemente, durante os ataques terroristas à Nova Iorque em onze de Setembro e também durante o colapso da ponte em Minnesota, em 2007, as redes via satélite apresentaram-se como interessante alternativa para comunicação, visto que as redes tradicionais, dada a situação, logo saturaram as suas capacidades. A seguir, apresentamos alguns exemplos de redes via satélite, que utilizam diferentes tipos de satélites, levando-se em conta a altitude de sua órbita: LEO: o Iridium: Conta com 66 satélites e cobre toda a superfície terrestre. o Globalstar: Dispõe de 44 satélites e cobre boa parte do globo terrestre, deixando de fora os pólos. HEO (Geoestacionário): o Inmarsat: Mais antigo satélite destinado à telefonia celular o Thuraya: Cobre parte da Europa e Ásia, além da África e Austrália. Conta com dois satélites. o ACeS: Conta com apenas um satélite e cobre o leste asiático. Algumas dessas redes serão mais bem estudadas nos próximos tópicos. 4. Iridium A rede Iridium foi projetada por um consórcio liderado pela Motorola e teve o início de suas operações na década de Esta rede provê um sistema de comunicação de voz e de dados baseado em satélites. Ao todo, existem cerca de 66 satélites na órbita terrestre, mais especificamente, na LEO, ou Órbita terrestre baixa. O nome Iridium vem do elemento químico de mesmo nome, o qual tem número atômico 77, que é igual ao número de satélites idealizados para o uso da rede. Esta é a única opção de rede via

4 satélite que cobre o globo terrestre por completo, incluindo os pólos e oceanos, e já conta com cerca de assinantes. Figura 2:Telefone que utiliza a rede Iridium 4.1 Estações terrestres A rede Iridium conta com quatro estações terrestres para a transmissão de dados. No passado, já foram utilizadas onze estações terrestres, das quais a maioria já foi fechada. O objetivo dessas estações terrestres é rotear os pacotes de chamadas. A comunicação entre os satélites e as estações terrestres é feita a uma freqüência de 20 e 30 GHz. Algumas localizações dessas estações terrestres atualmente são: Avezzano, Itália Wahiawa, Hawaii Tempe, Arizona

5 4.2 Custos Como dito anteriormente, o custo de um aparelho compatível com as redes Iridium gira em torno de US$ 1.000,00 e o da ligação entre US$ 3,00 à US$14,00. Porém, existem outras formas de tarifação para o serviço, tais como, as de modelo pré-pago. Por exemplo, pode-se compra cartões que dão créditos em minutos, como os de 50, 75 e 5000 minutos, mas que têm validade. Outra opção é firmar um plano pós-pago que, assim como ocorre no Brasil na telefonia móvel convencional, tem o valor do minuto reduzido a medida que o plano contratado é mais completo. 4.3 Handoff Quando os satélites perdem o contato com um dispositivo móvel, principalmente devido ao fato de ter passado pela linha do horizonte, ocorre uma troca de satélite que está monitorando o dispositivo móvel em questão. Isto geralmente ocorre a cada cinqüenta segundos. 4.4 Comunicação Os satélites e os dispositivos móveis se comunicam utilizando as tecnologias TDMA e FDMA, entre as freqüências 1616,00 a 1626,5 MHz. Cada canal ocupa uma largura de banda de aproximadamente 32 KHz, estando distantes uns dos outros a aproximadamente 42 KHz. Os prefixos para discar para um número da Iridium são os e +8817, que sugerem dois países imaginários, ambos sob o prefixo +881, destinado pela International Telecommunication Union aos Sistemas Móveis Globais via Satélite. 5. GlobalStar Assim como a Iridium, a rede GlobaStar provê acesso à transmissão de voz e dados, por meio da utilização de satélites. É importante ressaltar que no caso da transmissão de dados, as velocidades atingidas são bastante insatisfatórias, ressaltando mais a sua funcionalidade de transmissão de voz. A rede teve o início de suas funções em 1998, mas só se mostrou como solução comercial a partir de 1999, quando disponibilizou no mercado um sistema limitado, com capacidade a cerca de 200 usuários. Tal projeto foi financiado por um grupo de empresas, compostas por nomes como Hyndai, Vodafone, Qualcomm, entre outras sete. A infra-estrutura da rede conta com 52 satélites, sendo 48 operacionais e 4 de apoio. Atualmente a rede conta com aproximadamente usuários, de cerca de 120 países e, ao contrário da Iridium, a rede GlobaStar não cobre o globo completamente. Na figura 3 é apresentada uma ilustração de sua cobertura de sinal.

6 Figura 3: Cobertura de Sinal da rede GlobalStar As antenas brancas representam as estações terrestres, as faixas alaranjadas representam as áreas de melhor cobertura, as amareladas de sinal geralmente bom e azul de sinal precário. O restante do globo não é oficialmente coberto pela rede. 5.1 problemas com a rede Recentemente, a rede GlobalStar tem sido alvo de inúmeras reclamações com relação ao sinal de suas transmissões. Algumas explicações para esse fato remetem ao fato de seus satélites iniciais terem atingido o seu limite de vida útil (cerca de 8 anos), o que acarretou na condição da GlobalStar transferi-los de altitude de órbita, a fim de iniciar a operação de novos satélites. Outras explicações apontam para uma radiação a qual os satélites estão sendo submetidos quando passam pela Anomalia do Sul do Atlântico, a cerca de 1414km de altitude. A fim de solucionar esta situação, a GlobalStar lançou em 2007, outros 8 satélites de apoio, esperando reduzir assim os atrasos nas transmissões, enquanto os satélites não são completamente substituídos. Esta total substituição caracteriza a segunda geração de satélites da GlobalStar, planejada para ser lançada em meados de Tal investimento consumirá cerca de 661 milhões der Euros para o lançamento de 48 satélites novos, prometendo acabar com os problemas de sinal até Figura 4: Dispositivo móvel compatível com a rede GlobalStar

7 5.2 Custos A subsidiária brasileira da GlobalStar, oferece diversos planos de tarifação. O preço do minuto varia de acordo com o valor da assinatura básica, mas atualmente fica entre R$ 3,76 a R$ 6,04. Já um aparelho, incluindo os impostos brasileiros, chega a custar próximo aos R$ 2.990,00, como o ilustrado na Figura Inmarsat A rede Inmarsat foi idealizada primariamente por uma organização sem fins lucrativos, destinada a prover uma rede de comunicação via satélite para a comunidade marítima. Em 1999, a organização foi transformada em uma empresa. Ela utiliza 12 satélites que orbitam na faixa HEO, a de mais alta altitude, e que conta com a característica de ser geoestacionária, ou seja, está sempre sobre uma mesma localização terrestre, visto que seu período é de aproximadamente 24 horas. Esta rede disponibiliza um confiável meio de transmissão de dados e voz, além de outras informações que dada sua origem não comercial, são oferecidas como serviço público gratuito. Figura 5: Área de cobertura da rede Inmarsat Os satélites utilizados para a transmissão de voz e dados estão agrupados em três conjuntos e conferem a cobertura ilustrada pela Figura 5. Para a ligação para um dispositivo que utilize a rede Inmarsat, é necessário digitar um dos seguintes códigos fictícios: +870: Permanente Para uso até Dezembro de 20008: +871: Região do Oceano Atlântico (Leste) +872: Região do Oceano Pacífico

8 +873: Região do Oceano Índico +874: Região do Oceano Atlântico (Oeste) 7. Thuraya A rede Thuraya de transmissão via satélite é uma rede regional, que cobre parte da Europa, Oriente Médio, parte da África, Ásia e Austrália. A empresa que disponibiliza o sistema é originalmente dos Emirados Árabes Unidos, porém conta com participação de outros grupos Africanos e investidores. Atualmente, a rede conta com cerca de usuários, mas tem caído o nível de crescimento de usuários nos últimos anos. Esta rede conta com transmissão de dados, serviços de entrega de mensagens e velocidade de transmissão de dados que variam de 9,6 a 144 kbit/s. O código fictício de país para a ligação para celulares desta rede é: , o que o diferencia da maioria dos sistemas de redes via satélite, que começam com A rede conta com 3 satélites fabricados pela Boeing: Thuraya-1, utilizado apenas para testes e que está localizado sobre a Coréia; Thuraya-2, o qual serve parte da Europa, oriente Médio, Ásia e África; e Thuraya-3 que serve a Austrália. A seguir é apresentado um modelo de celular compatível com a rede Thuraya: Figura 6: Dispositivo móvel compatível com a rede Thuraya

9 7. Conclusão Com este texto é possível perceber a vasta opção de Redes de Transmissão que utilizam satélites. Alguns demonstram problemas na transmissão, tal como o Inmarsat, já outros demonstram maior maturidade, como o Iridium, o qual dispõe de cobertura total do globo terrestre. Porém, todos têm a mesma finalidade, ser um meio alternativo às redes de transmissão comuns. Em muitas situações, tais redes foram extremamente necessárias, como em desastres naturais, ataques terroristas, entre outras situações extremas em que as redes convencionais ficam saturadas. Também são muito utilizadas para fins eleitorais. Em regiões onde as redes convencionais não atuam, estas soluções podem se mostrar como as únicas capazes de sanar as dificuldades com relação à distância e isolamento tecnológico. Por fim, também é possível perceber que tais sistemas ainda têm um custo extremamente alto se comparados com os meios convencionais de transmissão de dados e voz, o que acaba por diminuir a empregabilidade atual destas soluções em larga escala.

10 8. Referências Bibliográficas Wikipedia (2008) Satellite - Grupo de Teleinformática e Automação (2008) História dos Satélites - Wikipedia (2008) Thuraya - Wikipedia (2008) Iridium - Autor desconhecido (2008) Satélites estacionários - Douglas E. Comer (2001) Computer Networks and Internet wih Internet Applications Ed. Prentice Hall Iridium Satellite (2008) Iridium WebSite - Wikipedia (2008) Inmarsat - Inmarsat (2008) Inmarsat WebSite -