REDES SATÉLITE. Universidade do Algarve Faculdade Ciências e Tecnologia. Redes Sem Fios 2004/2005. Realização:

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1 REDES SATÉLITE Universidade do Algarve Faculdade Ciências e Tecnologia Redes Sem Fios 2004/2005 Realização: Diogo Lobo Carlos Dias Roland Martins Nº:18011 Nº:18013 Nº:18656

2 Resumo Breve cronologia dos satélites Categorias de satélites Principais características dos satélites Arquitecturas de comunicações móveis por satélite Métodos de Acesso Handover em satélites GSM e UMTS por satélite Definição de Problemas de comunicação por satélite Problemas TCP por satélite

3 Breve cronologia dos satélites 1957 Lançamento do SPUTNIK 1 (1º satélite a ser lançado) 1960 Lançamento do ECHO formou-se o INTELSAT 1965 COMSAT's EARLY BIRD (1º satélite comercial em órbita) 1976 MARISAT (Três satélites para comunicação marítima) 1977 formou-se o EUTELSAT 1979 formou-se Inmarsat 1979 O primeiro lançamento de Ariane 1996 Iridium começa lançamento dos seus 66 satélites Iridium terminou. Actualmente, os satélites são meios de comunicação extremamente importantes. Por eles passam cerca de 33% das chamadas telefónicas internacionais, bem como a maior parte das transmissões televisivas internacionais.

4 Categorias de Satélites Existem três tipos de satélites que se encontram em três órbitas distintas: LEO (Low Earth Orbit): Aproximadamente km; MEO (Medium Earth Orbit) ou ICO (Intermediate Circular Orbit): Aproximadamente km; HEO (High Earth Orbit): a partir de km (onde se incluí o GEO: (Geostationary orbit) Aproximadamente km) As cinturas de VAN ALLEN são duas zonas de elevada radiação. Encontram-se aproximadamente às distâncias da Terra de km e km. Devido à radiação, nestas zonas evitam-se a colocação de satélites em órbita, por provocarem grande deterioração nos satélites.

5 Satélites LEO (Low Earth Orbit) Orbitam aproximadamente a km sobre a superfície de terrestre Têm visibilidade curta, cerca de minutos Possível a cobertura global de rádio Latência comparável com conexões terrestres de longas distâncias: 5-10 ms Têm pequenos footprints (padrão que o feixe faz na superfície da terra), logo, melhor reutilização da frequência. Necessitam viajar a uma velocidade superior à de rotação da terra, não possuindo cobertura fixa. Handover necessário de um satélite para outro A comunicação pode ser feita de satélite para satélite ou de satélite para terminal em terra e vice-versa

6 Satélites LEO (Low( Earth Orbit) ) [2] São necessários muitos satélites para haver cobertura global São sistemas complexos devido ao movimento do satélites O custo destes satélites é grande Têm um tempo de vida de aproximadamente 3 7 anos O atraso de propagação é pequeno A perda de propagação é baixa O período de desenvolvimento é longo

7 Satélites MEO (Medium Earth Orbit) Orbitam aproximadamente a km sobre superfície da terra Comparando com os sistemas LEO: Satélites movem-se mais lentamente Têm uma visibilidade média Requer menos satélites Sistema menos complexo Muitas conexões não necessitam Handover Latência mais alta: ms Precisa de maior potência de emissão Precisa de antenas especiais para footprints pequenos

8 Satélites MEO (Medium( Earth Orbit) ) [2] O custo destes satélites é baixo Têm um tempo de vida de aproximadamente anos O atraso de propagação é médio A perda de propagação é média O período de desenvolvimento é curto

9 Satélites GEO (Geostationary orbit) Orbitam a 35,786 km de distância da superfície de terra Órbita circular paralela com o equador (0 de inclinação) A sua rotação é síncrona com a da terra Cobre aproximadamente 1/3 da terra (bastam 3 para cobrir a terra) Antenas com posicionamento fixo, não necessitam de ajustes Têm um grande footprint, tipicamente (até 34% de superfície de terra), sendo difícil reutilizar as frequências Necessita de alto poder de transmissão Latência alta devido à longa distância (275ms) Não é útil para cobertura global de telemóveis e transmissão de dados, tipicamente é usado para rádio e transmissões televisivas

10 Satélites GEO (Geostationary( orbit) ) [2] O sinal recebido designa-se "uplink", é amplificado e reenviado de volta ("downlink") São utilizadas as larguras de banda de 36MHz, 54MHz e 72MHz separadas por 4MHz ("guardband"). O downlink pode ser feito utilizando um feixe global o que permite cobrir 40% da superfície da terra ou através de um feixe localizado permitindo assim cobrir uma pequena área. Os feixes podem ser direccionais através de acesso remoto. O custo destes satélites é Médio Têm um tempo de vida de aproximadamente anos O atraso de propagação é grande A perda de propagação é alta O período de desenvolvimento é longo Uplink Downlink

11 Satélites HEO (Highly Elliptical Orbits) Os satélites tipo HEO são um caso especifico dos GEO. Estes satélites servem para cobrir áreas que os satélites GEO não cobrem, como a área dos pólos. Funcionam a uma altitude de cerca de 50,000 km. A sua orbita é elíptica e varia entre 8 e 24 horas.

12 Taxas de Transmissão em Satélites As bandas de frequência mais comuns em satélites são:

13 Arquitecturas de comunicações móveis por satélite

14 Arquitecturas de comunicações móveis por satélite [2] Gateways e Base Stations: são estações terrestres. GOCC (Ground Operations Control Center): Planeam e controlam o uso de satélites pelos terminais gateway e pela coordenação deste uso com o SOCC SOCC (Satellite 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 Efectuam a integração com as redes fixas ou móveis terrestres

15 Arquitecturas de comunicações móveis por satélite [3] Visão Geral de uma Chamada Telefónica 1- A pessoa que faz o telefonema vai fazer uma chamada via satélite a um ou mais gateways. 2- O gateway encaminha a chamada até à rede telefónica pública existente. Neste caso, uma rede PLMN (Public Land Mobile Network) 3- A PLMN encaminha a chamada ao receptor desejado. 4- A duração da chamada, o serviço usado e a área de serviço são informados ao provedor de serviços, para fins de cobrança.

16 Localização das estações móveis Mecanismos semelhante ao GSM Os gateways mantêm registos com os dados de usuário HLR (Home Location Register): dados de usuário estáticos VLR (Visitor Location Register): local da estação móvel SUMR (Satellite User Mapping Register): O satélite aponta a uma estação móvel Posições de todos os satélites Registo das estações móveis Localização da estação móvel pela posição do satélite Pedido dos dados de usuário da HLR Actualização da VLR e SUMR Chamada de uma estação móvel localização que usa HLR/VLR semelhante ao GSM Configuração da conexão utilizando o satélite apropriado

17 Métodos de Acesso TDMA (Time Division Multiple Acess) TDMA As ligações são sequenciais. O espectro é dividido em intervalos de tempo.

18 Métodos de Acesso [2] FDMA (Frequency Division Multiple Acess) FDMA A largura de banda total disponível é subdividida. Permite que vários utilizadores ao mesmo tempo.

19 Métodos de Acesso [3] CDMA (Code Division Multiple Acess) CDMA Cada estação transmite com um código próprio. As ligações são feitas ao mesmo tempo, em banda espalhada.

20 Handover em Satélites Tipos de Handover: Intra Satellite Handover Inter Satellite Handover Gateway Handover Inter System Handover

21 Handover em Satélites [2]

22 Handover em Satélites [3] Intra Satellite Handover: Handover de um spot beam para outro. A mobile station continua ainda na footprint do satellite, mas numa outra célula. Inter Satellite Handover : Handover de um satélite para outro. A mobile station deixa a footprint de um satélite.

23 Handover em Satélites [4] Gateway Handover : Handover de um gateway para outro. A mobile station continua ainda no footprint do satélite, mas o gateway deixa a área do footprint Inter System Handover: Handover de uma rede satélite para uma rede celular terreste. A mobile station alcança uma rede terrestre, uma vez que é mais barata, tem uma latência mais baixa etc

24 GSM e UMTS por Satélite Dois dos principais operadores: Iridium Globalstar São sistemas não geoestacionários: Utilizam satélites em órbitas baixas (700 a 1500 Km acima da superfície), com períodos orbitais de 100 minutos.

25 GSM e UMTS por Satélite [2] GSM: O duplo modo (GSM + Globalstar)é assegurado pelos operadores das redes GSM, eles limitam-se a disponibilizar cartões que garantem a cobertura e o roaming GSM. Recorre à rede Globalstar de 48 satélites, capazes de garantir cobertura em localizações onde as redes convencionais não chegam.

26 GSM e UMTS por Satélite [3] Esta ligação por satelite tem duas operações: Chamadas de longa distancia entre GSM e PSTN Interligação de chamadas telefonicas de duas redes GSM, ou dentro da mesma rede GSM, utilizando multiplos MSC

27 GSM e UMTS por Satélite [4] Esta ligação permite cobrir uma área geográfica larga, desde que o BSC na posição remota possa suportar BTSs múltiplo. Desvantagem: A chamada tem que passar pelo MSC, o que requer um duplo satélite hop. Compressão da voz deve ser usado.

28 GSM e UMTS por Satélite [5] Esta ligação é a mais comum na ligações GSM por satélite. É utilizada para expandir o serviço a um custo mínimo de infra-estrutura. Vantagem: Tem uma despesa mínima requerida para desdobrar o serviço. Desvantagem: Os hand-offs e as chamadas do subscritorà-subscritor devem ir sobre a ligação satélite.

29 GSM e UMTS por Satélite [6] UMTS (Universal Mobile Telecommunications Satélite UMTS (S-UMTS) Terrestre UMTS (T-UMTS) Telecommunications System): A S-UMTS tem como vantagem em relação ao T-UMTS, T tem uma distribuição mais rápida (área coberta) e fornece serviços em áreas rurais onde T-UMTS T não chega. Além disso, S-UMTS S fornece uma solução eficiente para serviços que de broadcast/multicast onde não é suportado actualmente pelo T-UMTS. T

30 Comunicação entre Satélites Comunicações entre satélites podem ocorrer entre ISL s: ISL Inter Satelite Links,, são ligações entre satélites presentes na mesma camada, sendo necessário que se encontrem em linha de vista. O ISL aumenta a autonomia, reduzindo o numero de gateways,, reduz atrasos devido a perdas atmosféricas. Permite routing a longas distâncias Só é necessário um uplink e downlink para comunicação entre dois agentes móveis.

31 Comunicação entre Satélites [2] Existência de muitos ISL s implica um suporte de routing sofisticado, complexo, caro e de complexa implementação: - complexa focagem das antenas entre satélites - sistema de alta complexidade devido a routers em movimento - maior consumo de combustível - tempo de vida menor Existem várias camadas e muitos satélites, torna- se necessário comunicar entre os vários satélites e as várias camadas.

32 Comunicação entre Satélites [3] Comunicações distantes provocam atrasos São utilizados muitos ISL s para chegar ao destino Cada passagem por um satélite implica um atraso devido a processamento e tempo na fila de espera. Necessário nova arquitectura e protocolos que melhorem a situação, propôs-se se então a arquitectura Satellite Over Satellite (SOS)

33 Arquitectura SOS Este sistema caracteriza-se por: - Múltiplas camadas de Satélites - Os satélites em cada camada são agrupados por clusters - Comunicação entre satélites e um utilizador é realizado pelo User Data Link (UDL) - Comunicação entre satélites na mesma camada é feita pelos ISL s - As comunicações entre camadas são realizadas pelo Inter Orbit Link (IOL) Se possível todos os handovers são realizados dentro da mesma camada, procurando-se o caminho mais curto para a comunicação.

34 Arquitectura SOS [2]

35 Problemas de comunicação por Os problemas de comunicação por satélite podem ser agrupados em 3 campos: Físico: - A atmosfera provoca reflexões de onda, provocando atrasos e erros. - Variação da intensidade do sinal devido a propagação multipath - Interrupções no sinal devido a shadowing Satélites

36 Problemas de comunicação por Satélites [2] - É necessário ter em conta que quanto maior a distância maior o dispêndio de energia dos equipamentos (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.

37 Problemas TCP por satélite TCP/IP é muito utilizado em comunicações por satélite, isto porque: - Fácil de instalar, acesso remoto, e baixo custo correr/manutenção. - Útil para países ou áreas com poucas infra- estruturas terrestres. - É fácil adicionar/remover subsistemas. - Utilizado em inúmeras aplicações (ex( ex: conectividade Internet ). Em comunicações por satélite podem normalmente ser enumerados 5 características que mais afectam a performance da transmissão TCP.

38 Problemas TCP por satélite [2] Erros de Transmissão - Bit Error Rate - Número de bits enviados de forma errada num determinado período de tempo - Ao comparar com nível médio de 10-7, provoca na comunicação em satélites a perda de pacotes. - Existe um congestionamento, isto porque o emissor reduz o tamanho da sua janela, enfraquecendo a velocidade de transferência.

39 Problemas TCP por satélite [3] Bandwidth-Delay Product Round Time Trip,, é o tempo que decorre entre o envio de um segmento TCP e a recepção do ACK. - Está dependente da infraestrutura,, distância entre nós, condições da rede e tamanho do pacote. - Protocolo TCP tem uma janela expansível limitada (janela deslizante), que permite transmitir um dado numero de segmentos antes de receber um ACK. - O emissor tem de esperar um RTT antes de enviar um novo pacote, o que enfraquece a velocidade de transmissão. - Normalmente envia-se mais pacotes numa transmissão de modo a acelerar.

40 Problemas TCP por satélite [4] Bandwidth-Delay Product - É definido pelo RTT, produto entre a largura de banda da rede e o RTT. - Define a quantidade de dados que um protocolo deve utilizar (nº de bits que leva para encher o pipe da rede): Se o BDP aumentar existe menos capacidade de dados do protocolo TCP, logo este tem menor rendimento. - Considerando um pacote TCP por RTT Se o ACK de segmento falhar aumenta o BDP - Se muitos pacotes de TCP Poderá existir perda de pacotes que não são recuperáveis.

41 Problemas TCP por satélite [5] Variable Round Trip Time - Utilizado para satélites não estacionários - O RTT é variável - O alcance de visão varia - Atraso é variável, temos um delay num momento, e outro noutro, leva a problemas na definição do RTT, logo problemas na transmissão

42 Problemas TCP por satélite [6] Latência: - Propagação (muito alta, especialmente para os GEO) - Transmissão - Queue Congestão Asymetric use - A velocidade de downlink é diferente de uplink,, é preciso ter em conta que a largura de banda para transmitir pode não ser a mesma de recepção. - Tráfego de outgoing por uma rede terrestre e recepção por um satélite. - Problemas de ajuste do delay

43 Problemas TCP por satélite [7] Os mais conhecidos algoritmos de resolução dos problemas do protocolo TCP em comunicações em satélite são: - Redimensionamento da janela TCP - SACK s - Slow Start - AIMD (aditive( increase, multiplicative decrease) - Congestion Avoidance - Fast Retransmit and Fast Recovery - CANIT

44 Conclusão No futuro crê-se que as redes de satélites apresentem: - baixos BER; - Alta largura de banda, com muita assimetria. - Atrasos de propagação elevados (especialmente nos GEO s) - Baixa congestão interna da rede Vai ser necessário sintonização entre protocolos e software de modo a utilizar links com grandes atrasos.

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