Redes de Acesso em Banda Larga utilizando Sistemas VSAT e WiFi

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1 Guilherme Marques Mattos Redes de Acesso em Banda Larga utilizando Sistemas VSAT e WiFi Dissertação de Mestrado Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do título de Mestre pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da PUC-Rio. Orientador: Prof. Luiz A. R. da Silva Mello Rio de Janeiro Abril de 2006

2 Guilherme Marques Mattos Redes de Acesso em Banda Larga Utilizando Sistemas VSAT e WiFi Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica do Departamento de Engenharia Elétrica do Centro Técnico Científico da PUC-Rio. Aprovada pela Comissão Examinadora abaixo assinada. Prof. Luiz Alencar Reis da Silva Mello Orientador Centro de Estudos em Telecomunicações - PUC-Rio Prof. Erasmus Couto Brazil de Miranda UCP Profa. Marlene Sabino Pontes Centro de Estudos em Telecomunicações - PUC-Rio Prof. Rodolfo Sabóia Lima de Souza Centro de Estudos em Telecomunicações - PUC-Rio Prof. José Eugenio Leal Coordenador Setorial do Centro Técnico Científico - PUC-Rio Rio de Janeiro, 12 de abril de 2006

3 Todos os direitos reservados. É proibida a reprodução total ou parcial do trabalho sem autorização da universidade, do autor e do orientador. Guilherme Marques Mattos Engenheiro de Telecomunicações graduado pela Universidade Federal Fluminense UFF em Cursou a Pós-Graduação em Redes de Computadores pela PUC/RJ, tendo concluído a especialização em 2004 com trabalho final voltado para o estudo de aplicações VoIP em redes via satélite. Atualmente, é Especialista Satélite pela Star One/Embratel/Telmex, onde desenvolve atividades de coordenação e gerência de projetos especiais na área de engenharia da empresa. Ficha Catalográfica Mattos, Guilherme Marques Redes de acesso em banda larga utilizando sistemas VSAT e WiFi / Guilherme Marques Mattos; orientador: Luiz A. R. da Silva Mello. Rio de Janeiro: PUC, Departamento de Engenharia Elétrica, f. : il. ; 30 cm Dissertação (mestrado) Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Departamento de Engenharia Elétrica. Inclui referências bibliográficas. 1. Engenharia elétrica Teses. 2. VSAT. 3. WiFi. 4. Satélite Metodologia. 7. Projeto. I. Mello, Luiz A. R. da Silva II. Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. Departamento de Engenharia Elétrica. III. Título. CDD: 621.3

4 Aos meus sempre amados pais, Raimundo José e Maria de Fátima, por toda dedicação, apoio, confiança e coragem passadas durante os momentos difíceis enfrentados na realização deste curso e trabalho.

5 Agradecimentos Ao meu Orientador Professor Silva Mello, M.Sc. pelo estímulo, dedicação e parceria para o desenvolvimento deste trabalho. Aos meus colegas do Curso de Mestrado em Eletromagnetismo Aplicado da PUC-RJ pelo companheirismo presente durante os estudos. À todos aqueles com os quais convivo no ambiente da StarOne/Embratel e que muito contribuem no meu conhecimento. Aos meus queridos pais Raimundo José e Maria de Fátima, pela educação, amor, motivação, carinho e atenção em todos os momentos. Aos meus irmãos Patrícia e Gustavo pela paciência e auxílio na compreensão de alguns textos em línguas estrangeiras. À minha querida namorada Ellen e sua mãe Solange pela compreensão, amor e o constante apoio prestados durante o desenvolvimento deste trabalho. À todos os amigos que de uma forma ou de outra me estimularam ou me ajudaram. Ao CCE, à PUC-RJ e seus professores pelo profissionalismo e conhecimento passados durante todo o curso. Mas acima de tudo à Deus, que me deu plena força para enfrentar as dificuldades durante todo o curso e ao qual me apoiei e busquei abrigo quando me foi preciso, e nunca me faltou.

6 Resumo Mattos, Guilherme Marques. Redes de Acesso em Banda Larga utilizando Sistemas VSAT e WiFi. Rio de Janeiro, p. Dissertação de Mestrado - Departamento de Engenharia Elétrica, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. As Redes de Acesso em Banda Larga utilizando Sistemas VSAT e WiFi são uma forma de atender à demanda por informação a todo tempo e lugar; demanda esta que tem se tornado a grande mudança nos últimos tempos no meio das Telecomunicações. O acesso à informação passa a ser exigido nas mais longínquas localidades, onde a infra-estrutura terrestre se mostra quase que totalmente ausente. Aí se enquadram as redes VSAT (Very Small Apperture Terminal) que permitem este acesso através de uma rede via satélite capaz de oferecer cobertura à grandes dimensões geográficas. Da mesma forma, a informação precisa ser obtida a todo tempo, e desta maneira, as redes WiFi se apresentam como a forma com que o usuário pode ter a informação mesmo enquanto aguarda seu vôo no saguão de um aeroporto, ou enquanto desfruta de um jantar em um restaurante, ou no caso de corporações que procuram agilizar a difusão dos dados entre seus profissionais através da mobilidade. Este trabalho procura portanto, estudar as características dos sistemas e da propagação das ondas rádio para as redes VSAT em banda Ku e Wi-Fi (Wireless Fidelity) nas faixas de 2,4GHz e 5,2GHz em ambientes abertos (outdoors) e fechados (indoors); propor o desenvolvimento de uma metodologia de planejamento de projeto de redes VSAT-WiFi e sua aplicação em um caso prático, o que permite a conclusão de que um correto planejamento de projeto deve ser executado para que resultados eficientes e de qualidade possam ser alcançados. Palavras-chave VSAT;WiFi;satélite;802.11; metodologia;projeto

7 Abstract Mattos, Guilherme Marques. Broadband Network Access using VSAT and WiFi Systems. Rio de Janeiro, p. MSc. Dissertation Electric Engeneering Department, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. Broadband Network Access using VSAT and WiFi Systems are one way to attend the demand for information in every time and place; where this demand, has been turning into a big change in Telecomunications field. The access to information starts to be required in the farthest places, where the terrestrian infra-estructure shows itself almost totally missed. It s included the VSAT networks (Very Small Apperture Terminal) that offer access for information through a capable satellite network that gives coverage to huge geographic areas. By the same way, the information has got to be gathered at any time and this way, WiFi networks shows itself as the way the user can obtain information, even if while waiting his flight at the airport, or while enjoying a dinner in a restaurant, or in the case of corporations making faster the data sending among their professionals through mobility. The goals of this dissertation are the study of systems characteristics and propagation of the radio waves for the VSAT (Ku band) and Wi-Fi (Wireless Fidelity) networks (2,4GHz and 5,2GHz) in outdoors and indoors areas; the development of a methodology to planning projects for VSAT-WiFi networks and its application in a study case that permits a conclusion of a correct project planning must be done to efficient and good results can be reached. Keywords VSAT;WiFi;satellite;802.11; metodology;project

8 Sumário Introdução 15 2 Sistemas via Satélite Lançamento de um satélite Componentes de um satélite Principais órbitas para operação Faixas de frequências operacionais Histórico das comunicações via satélite Sistemas VSAT Componentes de um sistema VSAT Principais técnicas de acesso Aplicações das VSATs Vantagens e desvantagens da tecnologia VSAT 37 3 Propagação em sistemas via satélite Enlace de comunicação via satélite Enlace de uplink Terra-Espaço Satélite Espaço-Terra Estação Terrena 52 4 Redes sem fio Redes Locais O padrão IEEE Redes locais sem fio Tecnologias wireless Histórico das redes sem fio Redes Vantagens e desvantagens das redes sem fio para as cabeadas Componentes de WLANs Topologias de Wireless LAN 69

9 4.2.7 Segurança em WLANs Camada MAC Camada Física 79 5 Propagação em redes WiFi Caracterização do canal rádio Dependência com a distância Variabilidade de larga escala Variabilidade de pequena escala Espalhamento do retardo Outros mecanismos e efeitos de propagação Modelos de Propagação Modelos Teóricos Modelos Semi-empíricos Metodologia de projeto e simulação de caso Metodologia de projeto Rede WiFi Rede VSAT Simulação Estudo da Rede WiFi Estudo da Rede VSAT Premissas de tráfego da rede Dimensionamento da rede Dimensionamento de segmento espacial Projeto de RF Custos Considerações Conclusão Referências bibliográficas 159 Glossário 163

10 Lista de figuras Figura 2.1 Exemplo de footprint 18 Figura 2.2 Exemplo satélite Boeing Figura 2.3 (a) Exemplo Boeing 601 (b) Exemplo Boeing Figura 2.4 (a) Plataforma de lançamento marítima 20 Figura 2.4 (b) Exemplos de veículos lançadores 20 Figura 2.5 Alguns componentes dos satélites 22 Figura 2.6: Diagrama em blocos básico do satélite 22 Figura 2.7: Diagrama em blocos básico do transponder 22 Figura 2.8: Esquema da Órbita Geoestacionária 24 Figura 2.9: Distribuição dos satélites GEO ao redor da Terra 25 Figura 2.10: Componentes de um sistema via satélite 26 Figura 2.11: Arquitetura convencional para redes VSAT 31 Figura 2.12: Topologia em Estrela 31 Figura 2.13: Estação Terrena ou Teleporto onde a HUB fica localizada 31 Figura 2.14: Componentes da rede VSAT 32 Figura 2.15: Componentes de um terminal VSAT 33 Figura 2.16: Rede VSAT DAMA/SCPC típica 36 Figura 2.17: Esquema de rede VSAT TDM/TDMA típica 37 Figura 3.1: Diagrama geral de um enlace satélite 40 Figura 3.2: Elementos de subida em uma Estação Terrena 40 Figura 3.3: Elementos básicos de um satélite de comunicação 40 Figura 3.4: Elementos de descida em uma Estação Remota 40 Figura 3.5: Níveis de potência no uplink 41 Figura 3.6: Curva de transferência de um amplificador do tipo TWT 43 Figura 3.7 Ganho da antena 44 Figura 3.8 EIRP em 14,25GHz 45 Figura 3.9 Atenuação em espaço livre para satélites geo-estacionários 48 Figura 3.10 Posição da estação terrena em relação ao satélite 48 Figura 3.11 Perdas atmosféricas 49 Figura 3.12 Influências sobre Ts de um sistema de recepção 53 Figura 3.13 Temperatura de ruído troposférico 54

11 Figura 3.14 Temperatura de ruído versus atenuação por chuvas intensas 55 Figura 3.15 Temperatura de ruído devido à presença do Sol 56 Figura 3.16 G/Ts versus Ts para diversas antenas 57 Figura 3.17 Figura de mérito para a faixa de 11,7GHz 58 Figura Relação entre os padrões IEEE 802 e OSI 60 Figura 4.2 Access Point 66 Figura 4.3 Antenas externas 67 Figura 4.4 Wireless Bridge 68 Figura 4.5 Workgoup Bridge 68 Figura 4.6 Client Adapters 69 Figura Rede sem fio ponto-a-ponto 69 Figura Cliente e Ponto de Acesso 70 Figura Configuração com superposição celular 71 Figura Configuração Multi-Hop 71 Figura Utilização de Antenas Direcionais 72 Figura 4.12 Topologia Infra-estrutura (configuração multicelular) 72 Figura 4.13 Troca de quadros RTS/CTS 79 Figura 4.14 Frequency Hopping Spread Spectrum 80 Figura 4.15 Utilização do Chipping Code 81 Figura 4.16 Influência do sinal interferente 81 Figura 4.17 Sobreposição de canais DSSS 82 Figura 4.18 Espectro das sub-portadoras OFDM 87 Figura 4.19 Esquema de modulação b com CCK 90 Figura 4.20 Canalização do padrão IEEE no Brasil (2,4GHz) 97 Figura Perda mediana em relação à distância 100 Figura Representação do Ponto de quebra 100 Figura Variabilidades de pequena e larga escala 102 Figura Exemplo de Multipercurso em Ambiente Indoor 104 Figura Resposta para um Retardo por Espalhamento de 300 ns 104 Figura (a) Reflexão e Refração, (b) Difração, (c) Espalhamento 107 Figura Ilustração do modelo de 2 raios 110 Figura Reflexão em superfície rugosa (espalhamento) 111 Figura Ilustração do modelo de 6 raios (vista superior do ambiente) 112 Figura 6.1 Metodologia de projeto VSAT-WiFi 123 Figura 6.2 Distribuição das localidades 124 Figura 6.3 Diagrama da rede VSAT-WiFi 124

12 Figura 6.4 Ambiente de escritório 126 Figura 6.5 Cobertura AP1 127 Figura 6.6 Cobertura AP2 127 Figura 6.7 Cobertura AP3 128 Figura 6.8 Canalização do padrão IEEE no Brasil (2,4GHz) 131 Figura 6.9 Parâmetros de uplink da Estação Master 137 Figura 6.10 Parâmetros de downlink da estação remota 138 Figura 6.11 Modelo de chuvas 139 Figura 6.12 Características do satélite 140 Figura 6.13 Características das portadoras 141 Figura 6.14 Resultados (a) 142 Figura 6.15 Resultados (b) 143 Figura 6.16 Resultados (c) 144 Figura 6.17 Resultados (d) 145 Figura 6.18 Resultados (e) 146 Figura 6.19 Parâmetros de uplink da Estação Remota 147 Figura 6.20 Parâmetros de downlink da Estação Master 147 Figura 6.21 Modelo de chuvas 148 Figura 6.22 Características do satélite 148 Figura 6.23 Características das portadoras 149 Figura 6.24 Resultados (a) 149 Figura 6.25 Resultados (b) 150 Figura 6.26 Resultados (c) 151 Figura 6.27 Resultados (d) 152 Figura 6.28 Resultados (e) 153 Figura 6.29 Exemplo de cobertura e dimensionamento das remotas 154

13 Lista de tabelas Tabela Classificação orbital versus distância em relação à Terra 25 Tabela Principais faixas de frequências 26 Tabela 3.1 Tipos de amplificadores 43 Tabela 3.2 Temperatura efetiva de ruído da antena para chuvas intensas 55 Tabela 3.3 Temperatura da linha versus atenuação da linha 57 Tabela 3.4 Valores típicos para Ts em 11,7GHz 58 Tabela Padrões de camada física e MAC 60 Tabela 4.2 (a) Padrões de redes sem fio 61 Tabela 4.2 (b) Padrões de redes sem fio 62 Tabela 4.3 Resumo dos padrões IEEE Tabela 4.4 (a) Canais DSSS 81 Tabela 4.4 (b) Canais DSSS 82 Tabela Comparativo entre DSSS e FHSS 83 Tabela 4.6 Mapeamento na modulação PPM 85 Tabela 4.7 Valores do campo rate 86 Tabela 4.8 Configurações para o a 87 Tabela 4.9 Canalização do a 88 Tabela 4.10 Níveis de potência do a 89 Tabela 4.11 Configurações para o b 90 Tabela 4.12 Canalização do b 91 Tabela 4.13 (a) Níveis de potência do b 91 Tabela 4.13 (b) Níveis de potência do b 92 Tabela 4.14 Resumo das configurações para os padrões Tabela 4.15 Canalização do padrão IEEE no Brasil (2,4GHz) 97 Tabela Retardo por Espalhamento 105 Tabela Perdas de penetração em obstáculos em 2,4GHz 105 Tabela Coeficiente de atenuação 114 Tabela Coeficiente de atenuação por piso atravessado 115 Tabela Desvio padrão da distribuição log-normal 115 Tabela Valores do Fator de Penetração da Parede 116 Tabela Perdas de penetração em obstáculos 117 Tabela 6.1 Resumo descritivo das atividades (a) 121 Tabela 6.1 Resumo descritivo das atividades (b) 122

14 Tabela 6.2 Legenda dos ambientes 126 Tabela 6.3 (a) Relação pontos x potência x distância ao AP1 128 Tabela 6.3 (b) Relação pontos x potência x distância ao AP1 129 Tabela 6.3 (c) Relação pontos x potência x distância ao AP2 129 Tabela 6.3 (d) Relação pontos x potência x distância ao AP3 129 Tabela 6.4 Valores usuais de tráfego médio de usuário 132 Tabela 6.5 Premissas de tráfego 132 Tabela 6.6 Distribuição das remotas 134 Tabela 6.7 Dimensionamento de rede 135 Tabela 6.8 Dados do satélite NSS7 136 Tabela 6.9 Resultados consolidados 153 Tabela 6.10 Custos estimados do projeto WiFi 155 Tabela 6.11 Custos estimados do projeto VSAT 155

15 15 Introdução As corporações têm procurado atualmente otimizar a sua forma de comunicação ao mesmo tempo em que reduzem os custos associados a qualquer mudança nesse sentido. O avanço da tecnologia de comunicação sem fio, por meio de ondas rádio, tem se apresentado bastante adequada pois é capaz de oferecer baixo custo de implementação diante das soluções até então empregadas por meio de cabos e conexões que, além disto, obrigam a interrupção das atividades desenvolvidas pelos profissionais quando há necessidade de deslocamento. Além do ponto crucial que diz respeito ao custo, a mobilidade tem sido alcançada muito facilmente por meio desta tecnologia, o que tem tornado mais ágil o ambiente de trabalho. Esta mobilidade talvez represente o mais recente passo no que se refere à liberdade tão desejada pelas pessoas, e há tempos vem ocorrendo uma gradativa evolução através dos sistemas de acesso remoto, via web, etc. Além das redes wireless, as redes celulares têm apresentado um papel fundamental neste processo de mudança de conceito na troca de informação, porém, ainda não atendem de forma completa à demanda por comunicação de dados, com seu foco ainda voltado ao tráfego de voz. Da mesma forma, o crescimento da tecnologia VSAT (Very Small Apperture Terminal) que provê acesso local por meio de redes via satélite se acelerou fortemente nos últimos anos, quando diversas redes baseadas neste tipo de solução surgiram ao redor do mundo, inclusive no Brasil, onde a empresa pioneira foi a Star One, do Grupo Embratel. O foco foi atender à demanda por dados, voz e vídeo existente principalmente em localidades não servidas por infra-estrutura terrestre, como é o caso do interior do país, onde existe um grande número de fazendas, pousadas e cooperativas que necessitam de algum tipo de acesso à Internet, por exemplo. Este trabalho procura mostrar em seu segundo capítulo, uma visão geral sobre a tecnologia VSAT introduzida recentemente no Brasil para acesso local principalmente em áreas pouco urbanizadas. São abordadas também as vantagens e desvantagens deste sistema, suas arquiteturas e componentes. No mesmo capítulo, são apresentados alguns dos aspectos mais importantes para o

16 16 planejamento de sistemas VSAT, como interferências, polarização, diversidade de antenas, tráfego, etc. O terceiro capítulo apresenta alguns dos principais modelos de propagação usados para comunicações via satélite do tipo VSAT na faixa de frequências denominada de banda Ku. O quarto capítulo apresenta uma visão geral da tecnologia das redes wireless, padronizadas segundo o do IEEE, abordando suas vantagens e desvantagens sobre as redes cabeadas convencionais, algumas discussões sobre segurança, topologias e tipos de equipamentos envolvidos. É apresentado ainda, alguns aspectos importantes para o planejamento de sistemas wireless, como interferências, polarização, diversidade de antenas, tráfego, englobando as camadas física e de enlace segundo o modelo OSI. Este capítulo procura enfatizar as características mais importantes para ambientes indoor e outdoor. O quinto capítulo apresenta alguns dos principais modelos de propagação determinísticos e semi-empíricos, utilizados para ambientes abertos e fechados, bem como uma caracterização do canal de rádio-propagação, que é a base para compreender os efeitos previstos pelos modelos. O sexto capítulo, principal contribuição do trabalho, apresenta uma metodologia de projeto de redes VSAT-WiFi mostrando o passo-a-passo das análises e tarefas necessárias para a realização de um bom projeto, desde o seu planejamento de cobertura e dimensionamento de tráfego até sua implantação. O capítulo é finalizado com uma simulação abordando questões práticas de um projeto de uma rede VSAT-WiFi onde procurou-se aplicar todos os pontos vistos neste trabalho.

17 17 2 Sistemas via Satélite Em sua definição, um satélite é um corpo físico que gira em torno de um grande objeto, assim como a Lua (satélite natural) que gira em torno da Terra. Existem também os satélites desenvolvidos por cientistas e engenheiros que giram ao redor de nosso planeta realizando diversas tarefas. Os satélites são portanto, dispositivos posicionados em algum lugar no espaço e têm sua funcionalidade determinada de acordo com o tipo de aplicação para o qual foram desenvolvidos. Assim, satélites militares têm como objetivos a telecomunicação, observação, alerta avançado, ajuda à navegação, como o GPS (Global Positioning System), e reconhecimento. Já os satélites voltados ao meio científico, englobam os meteorológicos, os de exploração do universo e os de coleta de dados da Terra, como exemplificado anteriormente. Os meteorológicos visam a óbvia tarefa de identificação do clima, possibilitando a prevenção de mortes por desastres naturais como furacões ou tempestades. Já os de exploração do universo, têm seu alvo voltado justamente para a exploração do espaço a fim de obter mais conhecimento da Terra, do sistema solar e do universo como um todo. Já os de coleta de dados, visam a elaboração de informações sobre fenômenos físicos, químicos e biológicos da superfície da Terra e da atmosfera, através de uma gama infinita de sensores. Por fim, os satélites de comunicação que são utilizados na transmissão de informações (voz, dados e vídeo) por todo o mundo. Esses tipos de satélites podem ter acessos múltiplos, isto é, servir simultaneamente a diversos usuários de localidades ou mesmo de países ou continentes diferentes. Independente do tipo de aplicação, o sinal encaminhado por um satélite pode cobrir uma área restrita sobre a superfície da Terra, como por exemplo, cobrir somente um determinado conjunto de ilhas na Indonésia. Há possibilidade inclusive de se direcionar feixes distintos para localidades distintas também. A área coberta por um satélite é também chamada de footprint, e é representada de maneira bastante simplificada na Figura 2.1 [53].

18 18 Figura 2.1 Exemplo de footprint A Figura 2.2 [53] mostra um tipo de satélite, o da empresa Boeing, modelo 376, que é utilizado principalmente para difusão de sinais de TV. A Família Brasilsat (controlada pela operadora StarOne/Embratel), assim chamado o conjunto de satélites brasileiros atualmente em órbita, utiliza este tipo de artefato. Figura 2.2 Exemplo satélite Boeing 376 Outros tipos de satélite da mesma empresa são apresentados na Figura 2.3 [53], como o Boeing 601 e o Boeing 702, que são responsáveis pela difusão de sinais de TV para terminais remotos com antenas de pequena abertura, tais como as do serviço oferecido pela DIRECTV ou Sky. Além deste serviço, voz, fax e dados trafegam por ele. A título de curiosidade, um satélite como o Boeing 601 possui cerca de 4m de altura quando compactado (stowed) e 26m quando em operação no espaço (deployed), pesando aproximadamente 1.700Kg. Já os similares ao modelo 702, medem 7m compactados, 40m em operação e pesando cerca de 3.000Kg.

19 19 Figura 2.3 (a) Exemplo Boeing 601 (b) Exemplo Boeing Lançamento de um satélite Um satélite é lançado por um veículo lançador que é levado ao espaço por meio de foguetes. Poucos lugares no mundo são pontos de lançamento de satélites, alguns exemplos são o Cabo Canaveral na Flórida, Kourou na Guiana Francesa, Xichang na China e Baikonur no Cazaquistão. Os melhores lugares para se lançar um satélite são próximos ou no próprio oceano pois se algum acidente ocorrer, eles caem em água e não em terra. Para se colocar um satélite em órbita, diversas companhias de diferentes países precisam trabalhar juntas para que tudo esteja coordenado e o mais imune possível a erros durante todo o processo de lançamento. No lançamento, os foguetes carregam o satélite até o espaço quando então se desprendem e o veículo lançador passa a direcionar os movimentos por mais algum tempo. Em seguida, ele também se solta e os motores acoplados ao próprio satélite passam a controlar sua posição, buscando colocá-lo em perfeita órbita, o que leva vários dias. No momento em que o satélite se encontra em sua posição definitiva, suas antenas e painéis solares se abrem e ele passa a entrar em operação transmitindo e recebendo sinais. As Figuras 2.4 (a) e (b) [53], mostram diversos tipos de veículos lançadores.

20 20 Figura 2.4 (a) Plataforma de lançamento marítima 2.2 Componentes de um satélite Figura 2.4 (b) Exemplos de veículos lançadores De uma forma mais técnica, podemos dizer que o satélite é uma estação repetidora de sinais provenientes da Terra. Eles são compostos basicamente por:

21 21 Subsistema de propulsão Inclui todos os motores responsáveis pelo posicionamento do satélite em sua órbita. Os pequenos motores chamados de thrusters também auxiliam neste processo, pois os satélites necessitam de constantes ajustes de posição devido à presença dos ventos solares e das forças gravitacionais e magnéticas que os tiram da posição correta. Por isso, comandos vindos de uma estação de controle na Terra procuram atuar sobre esses pequenos motores. Subsistema de potência Gera e armazena a eletricidade em baterias, a partir da energia coletada pelos painéis solares. Fornece potência para todos os demais subsistemas, principalmente quando o Sol não está iluminando o satélite. Subsistema de comunicação Manipula todas as funções de transmissão e recepção de sinais vindos da Terra. Aqui estão presentes as antenas e os chamados transponders. Estes transponders são formados por um conjunto de componentes eletrônicos que realizam processamentos com o sinal, tais como sua detecção, o ganho de potência por meio do LNA (Lower Noise Amplifier), a filtragem, a translação de freqüência e sua retransmissão. Um satélite geralmente é composto de vários transponders que atuam como unidades independentes de repetição, cada um ocupando uma faixa exclusiva de freqüências, sendo importante para aumentar a confiabilidade e versatilidade do satélite. Subsistema de estrutura Corresponde à estrutura física do dispositivo satélite. Subsistema de controle térmico Mantém a temperatura do satélite a níveis aceitáveis para o seu correto funcionamento. O excesso de calor é eliminado de forma a não provocar interferência em outro satélite. Subsistema de controle e posicionamento Procura manter o footprint em sua correta localização. Caso a cobertura se mova sobre a superfície terrestre, a área descoberta ficará sem os serviços que para ali foram designados. Então, é necessário que este subsistema, alerte o subsistema de propulsão para acionar os thrusters que moverão o satélite para sua correta posição.

22 22 Subsistema de comando e telemetria Fornece maneiras para que uma estação na Terra tenha condições de monitorar e controlar as ações de um satélite. As Figuras 2.5 [53], 2.6 e 2.7 procuram esquematizar estes conceitos. Figura 2.5 Alguns componentes dos satélites Figura 2.6: Diagrama em blocos básico do satélite Figura 2.7: Diagrama em blocos básico do transponder

23 Principais órbitas para operação Uma órbita é o caminho descrito por um objeto quando girando ao redor de outro, mantendo-se sempre a mesma distância entre eles. Desta forma, quando um satélite é lançado, ele é posicionado em uma órbita ao redor da Terra. A órbita é conseguida pois a gravidade do planeta Terra o mantém a uma certa altura da superfície terrestre. Mas não somente isto; é necessário algum controle vindo da Terra para auxiliar neste posicionamento. Com isso, existem diversos tipos de órbitas, onde as mais conhecidas são: LEO (Low Earth Orbit) Os satélites de baixa órbita são aqueles posicionados até 2.000Km da superfície terrestre e devido à sua proximidade, desenvolvem uma velocidade bastante alta, cerca de Km/h, para evitar que a gravidade da Terra os tire do percurso e os faça se chocar com a superfície. Em uma hora e meia, estes satélites completam uma volta na Terra, ou seja, um ponto na Terra consegue se comunicar com este satélite por cerca de apenas 10 minutos. Durante muitos anos, os satélites de baixa órbita raramente foram usados em comunicações devido ao fato de que as antenas não mantinham a visada por muito tempo em um único ponto da superfície terrestre. Geralmente eram utilizados com propósitos de sensoriamento científico ou militar durante todos estes anos, mas recentemente alguns projetos, por exemplo, o Iridium os empregou. MEO (Medium Earth Orbit) Satélites que distam de 5.000Km a Km da superfície do planeta estão em uma órbita média. Neste tipo de órbita, um ponto na Terra consegue comunicações com este satélite por cerca de duas horas ou mais, pois entre 4 e 8 horas, uma volta completa é dada ao redor da Terra. GEO (Geostationary Earth Orbit) Um satélite, posicionado sobre a linha do Equador e em órbita Geosíncrona ou Geoestacionária, leva cerca de 24 horas para completar uma volta em torno do planeta, o mesmo tempo que a Terra leva para completar seu movimento de rotação. Ou seja, se estes satélites são posicionados de tal forma que giram com a mesma velocidade angular que a Terra, eles estarão portanto parados em relação à um ponto na superfície, e assim, este ponto sempre poderá se comunicar com o satélite 24 horas por dia. Esta órbita, representada

24 24 pela Figura 2.8 [55], corresponde a uma distância de aproximadamente Km da superfície terrestre. A órbita Geoestacionária é tal que, as forças da Gravidade da Terra e a Centrífuga se equilibram mantendo o satélite a uma mesma distância da superfície, sendo necessários somente alguns ajustes de posicionamento pela Estação de Monitoração de tempos em tempos. A força da Gravidade é criada por grandes massas físicas e faz com que os objetos se aproximem dela. A força Centrífuga é aquela que força os objetos a se distanciarem da massa física sobre a qual estão girando ao redor. O posicionamento dos satélites no espaço geoestacionário da Terra é dependente da disponibilidade de posições, chamadas de Posições Orbitais. A União Internacional de Telecomunicações (UIT) dividiu o espaço geoestacionário em 180 posições orbitais, cada uma separada da outra por um ângulo de 2 reduzindo ao máximo a interferência mútua entre elas. A utilização de freqüências diferentes poderia solucionar este problema diminuindo a distância entre os satélites, porém o aumento das freqüências, além de ser tecnologicamente custoso por exigir equipamentos muito específicos, também é polêmico devido aos acordos internacionais de utilização das faixas de freqüências. Figura 2.8: Esquema da Órbita Geoestacionária A Figura 2.9 [51] a seguir, apresenta o posicionamento dos satélites geoestacionários ao redor do planeta Terra, com algum destaque os dispositivos da companhia Hughes.