Computação Móvel: Sistemas de Satélites e HALO. Mauro Nacif Rocha DPI/UFV

Transcrição

1 Computação Móvel: Sistemas de Satélites e HALO Mauro Nacif Rocha DPI/UFV 1

2 Aplicações Comunicações telefonia, TV, dados, radiodifusão. Navegação início de atividades em 1967, quando os E.U.A. lançaram 5 satélites do sistema TRANSIT. Previsão do tempo Tiros I (E.U.A.) foi o primeiro satélite meteorológico, lançado em abril de Sensoriamento remoto Principalmente para a obtenção de imagens. Posicionamento (GPS) auxílio em todo tipo navegação 2

3 Histórico 1957 SPUTNIK 1960 ECHO: 1º satélite reflexivo de comunicação 1963 SYNCOM: 1º satélite geoestacionário 1965 INTELSAT I: 1º satélite comercial geoestacionário 240 canais telefônicos duplex ou 1 canal de TV 1,5 anos de vida 1976 três MARISAT: satélites para com. marítima 1982 INMARSAT-A: 1º sistema de telefonia móvel por satélite 1988 INMARSAT-C: 1º sistema para comunicação de voz e dados via satélite º sistema de telefonia digital por satélite 1998 sistemas globais de satélite para dispositivos móveis pequenos 3

4 Órbita de um satélite de comunicações caminho do satélite na ausência de gravidade força gravitacional 1 volta em torno da Terra demora 24 horas km Órbita geoestacionária velocidade: ~ km/hora 4

5 Satélite 5

6 Satélites e os Anéis de van Allen 6

7 Órbitas GEO (Inmarsat) HEO LEO (Globalstar, Irdium) MEO (ICO) Anéis de VanAllen Terra km 7

8 Infra-estrutura externa: Satélite 8

9 Infra-estrutura externa: Satélite O número de órbitas é finito 9

10 Enlace espacial 10

11 Área de cobertura r 2R arctan R h R 2 R 2 R: raio terrestre = km h: altura do satélite 11

12 Atenuação Atmosférica Atenuação do sinal (%) Exemplo: satélites a 4-6 GHz absorção pela chuva absorção pela neblina 10 absorção atmosférica elevação do satélite 12

13 Constelações de Satélites Características Potência do sinal Cobertura Global Robustez Minimização de Atraso 13

14 Constelações de Satélites Características Potência do sinal Uma vez que essas redes se destinam ao atendimento de usuários possivelmente móveis, deve-se levar em conta os tradicionais problemas de consumo de energia em unidades móveis, bem como medidas de segurança relativas à saúde do usuário. Assim, o sinal emitido pela unidade móvel não deve ser forte e o satélite cobrindo a área onde se encontra o usuário deve ainda assim ser capaz de captá-lo. 14

15 Constelações de Satélites Características Cobertura Global O número e as órbitas dos satélites devem ser tais que, a qualquer momento, cada ponto da superfície terrestre seja coberto por ao menos um satélite da rede. Nota-se que, dada a distribuição heterogênea da população planetária, este item pode sofrer relaxamentos como, por exemplo, se evitar a cobertura das regiões polares. 15

16 Constelações de Satélites Características Robustez A rede global de satélites deve ser resistente a falhas. Se um de seus satélites componentes sofrer uma pane, outros satélites devem assumir as tarefas do defeituoso, garantindo que o funcionamento da rede a nível global prossiga. Além disso, no caso de oclusão do sinal entre o usuário e um satélite por algum grande objeto na superfície (como uma montanha ou um edifício), deve existir um caminho alternativo até outro satélite. Este último quesito influi na condição de cobertura global, tornando desejável que haja redundância, ou seja, cobertura de uma mesma área por mais de um satélite. 16

17 Constelações de Satélites Características Minimização de Atraso A Velocidade da Luz é finita e os efeitos dessa finitude se fazem sentir em grandes distâncias, como as entre os satélites e pontos da superfície terrestre. Dessa forma, o atraso no envio e recepção de sinais deve ser levado em consideração no projeto das órbitas de satélites. 17

18 Alguns consórcios Iridium 66 satélites Globalstar 48 satélites Ellipso 24 satélites Odissey 12 satélites Inmarsat (ICO) 10 satélites Teledesic 288 satélites serviços de telefonia, dados, mensagens usuário dispõe de serviço em todo o planeta equipamentos fixos, para veículos e portáteis satélites em órbita baixa permitem o uso de equipamentos de baixa potência 18

19 Iridium 66 satélites de 556 kg igualmente divididos em seis planos orbitais (anéis) Órbitas circulares polares a 780 km de altitude FDMA/TDMA Banda L ( MHz) para a comunicação entre os satélites e as UMs, Banda Ka ( GHz downlink; GHz uplink) entre os satélites e gateways Falência em 2000, acordo c/ US DoD (uso livre) 19

20 Globalstar Cobertura da população global e não da superfície global (falta de cobertura nos pólos somente entre 70 de latitude norte a 70 de latitude sul) 48 satélites em LEO divididos em 6 planos curiosamente entrelaçados 8 planos orbitais com 6 satélites cada CDMA Aparelhos duais Ericsson, Telit (GSM-900) e QUALCOMM (CDMA-800 e AMPS-800) 20

21 Globalstar 21

22 Ellipso Sistema baseado na assimetria da população terrestre duas constelações: Ellipso-Borealis, responsável pela cobertura das médias e altas latitudes do Hemisfério Norte. Formada por oito satélites divididos por dois planos orbitais inclinados. Ellipso-Concordia, responsável pela cobertura das médias latitudes do Hemisfério Sul e da região intertropical. Formada por seis satélite em órbita equatorial; porém, o sistema prevê a adição sob demanda de mais quatro satélites à Ellipso-Concordia, situados em uma órbita ligeiramente diferente. 22

23 Ellipso órbitas (esquerda) e mapa de cobertura (direita) das constelações Ellipso. As órbitas da constelação Ellipso-Concordia estão traçadas em amarelo, e as da Ellipso-Borealis em vermelho. A órbita elíptica e ligeiramente inclinada do Ellipso-Concordia não faz parte do plano básico do sistema, podendo ser adicionada em caso de alta demanda 23

24 Ellipso Enquanto os seis satélites básicos da Ellipso-Concordia seguem uma órbita circular tradicional, as duas órbitas seguidas pelos satélites da Ellipso-Borealis são elipses, estando aí a origem do nome do sistema. A excentricidade orbital é bastante acentuada, com uma altitude máxima de km e uma mínima de apenas 630 km. Esse traçado orbital um tanto incomum para satélites artificiais também é parte dos esforços da Ellipso para atender mais às regiões de maior demanda. De acordo com a Segunda Lei de Kepler, o vetor radial de um corpo em órbita percorre setores de áreas iguais em tempos iguais ao longo da órbita. Em outras palavras, a velocidade orbital dos satélites é maior nos trechos da órbita mais próximos da Terra e menor nos trechos mais distantes. Logo, os satélites ficam mais tempo na parte da elipse mais longe da Terra. Por isso, as órbitas da Ellipso-Borealis foram projetadas de tal forma que esses trechos mais distantes são situados sobre o Hemisfério Norte, fazendo com que a maior parte do tempo os satélites estejam cobrindo esse hemisfério. Embora diferente a nível de redes globais de satélites, essa idéia não é inteiramente nova, já sendo usada há muito nas transmissões de TV no território russo. Finalmente, além da diferença na forma da órbita, a Ellipso-Borealis tem um maior número de satélites que a Ellipso-Concordia, em resposta à maior população do Hemisfério Norte. 24

25 Ellipso MEO WCDMA 2400 bps voz, 28.8 ou 64 kbps dados MHz uplink, MHz downlink IP Recentemente tentou firmar acordo com a ICO-Teledesic Global Limited (holding) 25

26 Teledesic Internet celestial 288 satélites em 12 planos, órbitas polares, similar ao Iridium área de cobertura para cada satélite (célula) muito pequena, com relativamente poucos usuários downlink de 64 Mbps (entre 18,8 e 19,3 GHz, MF-TDMA) e uplink de 2 Mbps (entre 28,6 e 29,1 GHz, ATDMA assíncrono) 26

27 Resumo: sistemas LEO/MEO Iridium Globalstar ICO Teledesic # satellites altitude ca. 700 (km) coverage global 70 latitude global global min elevation frequencies [GHz (circa)] 1.6 MS MS 2.5 MS MS 2.2 MS ISL 23.3 ISL access FDMA/TDMA CDMA FDMA/TDMA FDMA/TDMA method ISL yes no no yes bit rate 2.4 kbit/s 9.6 kbit/s 4.8 kbit/s 64 Mbit/s 2/64 Mbit/s # channels Lifetime [years] cost estimation 4.4 B$ 2.9 B$ 4.5 B$ 9 B$ 27

28 Aeronaves tripuladas 28

29 Projeto HALO High Altitude Long Operation Características: Voa numa altitude de 51 a pés Projetado para comunicação broadband Área de cobertura: 50 a 75 milhas de diâmetro, em áreas metropolitanas Capacidade inicial entre 1 e 25 Mbps Problemas de espectro (> 20 GHz) compensados pelo alto ângulo de incidência (mín. 20 ) 29

30 Projeto HALO High Altitude Long Operation 30

31 Projeto HALO High Altitude Long Operation 31

32 Projeto HALO High Altitude Long Operation 32

33 Projeto HALO High Altitude Long Operation Node Data Density Round Trip Delay Node Type Min (Mbps/km 2 ) Max (Mbps/km 2 ) Min (millisec) Max (millisec) LMDS HALO LEO (Broadband) GEO

34 Aeronaves não tripuladas 34

35 Sky Station HAPS High Altitude Platform Station Balões geoestacionários Baixo Custo Cobertura (diâmetro): UAC 75 km SAC 150 km RAC 600 km 35

36 Sky Station Empresas: Lockheed Martin Global Telecommunications (end-toend system integrator) Alenia Spazio/Finmeccanica (primary payload developer) Dornier Satellitensysteme GmbH unidade corporativa da DaimlerChrysler Aerospace (power subsystem) Thomson-CSF Communications of France (gateway earth station manufacturer and payload sub-contractor) United Solar Systems Corp. (light weight solar cells) 36

37 Sky Station PLATFORM Platforms: Altitude: Coverage Area: 47GHz BROADBAND TECHNICAL DETAILS Spot beams: Angle of Elevation: >15 Life-span: 5-10 years SPECTRUM Uplink: Downlink: 250 platforms worldwide, each operating independently and initially connected via ground-stations and existing public networks. Future platforms will be equipped with platform-to-platform links. 21Km (70,000 feet) 150Km diameter; 19,000 square kilometers plus specified locations outside this zone 700 spot beams per platform 100MHz in GHz 100MHz in GHz SIGNALING PROTOCOL Modulation: Communication protocol: QPSK (subscriber); 64QAM (groundstation) FDMA/TDMA uplink, TDM downlink SUBSCRIBER INFORMATION Data rate: Power requirements: 2Mbps uplink/10mbps downlink 100mW - 250mW 37

38 Sky Station INFRASTRUCTURE Platforms: Altitude: Coverage Area: Spot beams: Life-span: Capacity: SPECTRUM Frequencies: TYPICAL 2GHZ SKY STATION SYSTEM SIGNALING PROTOCOL Modulation: Multiple access: Communication protocol: One platform with several groundstations per metropolitan area km (approx. 70,000 feet) 1000Km diameter footprint >1000 spot beams per platform 5 to 10 years 1.77 Gbps capacity per 10 MHz allocation (5 MHz downlink and 5 MHz uplink) dynamically spread across footprint Equivalent of 316,000 simultaneous 8 kbps telephone calls with 50% voice activity In frequency bands identified by the WRC for use with Third Generation Mobile Terrestrial Systems. ( MHz, MHz, and MHz in Regions 1 and 3, and MHz and MHz in Region 2). QPSK WCDMA and CDMA2000 Multiple protocols at transport and network levels supported SUBSCRIBER INFORMATION Data rate: 8.0 kbps for voice; 384 kbps 2 Mbps for data Power requirements: 25mW Subscriber unit: Standard WCDMA and CDMA2000 mobile unit 38

39 Aplicações atuais Comunicação marítima Comunicação aeroespacial DVB (Digital Video Broadcasting) e radio Locais remotos ou fechados Pesquisas Jornalismo Agronegócios, empresas Governos (aplicações civis e militares) 39

40 Referências Iridium: SaVi: ICO: Globalstar: Ellipso: Teledesic: Sky Station HALO: 40