Sistemas de Telecomunicações 2007-2008 COMUNICAÇÕES POR SATÉLITE Rui Marcelino Abril 2008 Engenharia Electrica e Electrónica - TIT
Sumário 1. Revisão Histórica 2. Conceitos básicos da comunicação por satélite 3. Alocação do espectro 4. Aplicações de sistemas de satélites 5. Elementos do sistema 6. Considerações do Projecto 7. Presente e tendências futuras das comunicações por satélite 8. Referências 2 Sistemas de Telecomunicações 2008
1 Revisão Histórica 3 Sistemas de Telecomunicações 2008
Foguete V2 Final da II Guerra Mundial (Alemanha) 4 Sistemas de Telecomunicações 2008
Factos relevantes - Anos 50-1956 Cabo transatlântico (12 canais de telefone). - 1957 - Primeiro satélite lançado pelo homem USSR (Sputnik, LEO). - 1958 - Primeiro satélite Americano (SCORE). Primeira comunicação estabelecida por satélite (LEO, Menos de 35 dias em orbita. Falharam as baterias). 5 Sistemas de Telecomunicações 2008
Sptunik -I 6 Sistemas de Telecomunicações 2008
Factos relevantes - Anos 60 Primeiro Satélite de comunicações 1960 Primeiro Satélite de comunicações (Echo I and II). 1962: Primeiro satélite de telecomunicações não governamental Telstar I (MEO). 1963: Primeiro satélite lançado em orbita Geoestacionária Syncom 1 (falha) 1964: Criação da INTELSAT. 1965 Primeiro satélite comercial Early Bird (depois renomeado INTELSAT 1). 7 Sistemas de Telecomunicações 2008
Echo I 8 Sistemas de Telecomunicações 2008
Telstar I 9 Sistemas de Telecomunicações 2008
Intelsat I 10 Sistemas de Telecomunicações 2008
Factos relevantes - Anos 70 - Desenvolvimento de aplicações GEO - 1975 Experiência da primeira difusão directa de satélite com sucesso (um ano de duração USA-India). - 1977 Difusão directa por satélite, atribuída pelo ITU para as regiões - 1979 Criada a organização de serviços móveis de satélite (Inmarsat). 11 Sistemas de Telecomunicações 2008
Factos relevantes - Anos 80 - Expansão de aplicações GEO - 1981 Primeiro veiculo de lançamento espacial retornável - 1982 Comunicações marítimas operacionais - 1983 ITU define plano de difusão directa para a zona 2. - 1984 Primeira difusão directa residencial (Japão). - 1987 Sucesso em experiencias de comunicações moveis terrestres (Inmarsat). - 1989-90 Comunicações móveis globais (Inmarsat) 12 Sistemas de Telecomunicações 2008
Factos relevantes - Anos 90 1990-95: 1997: - Várias organizações propõem a utilização de satélites não geoestacionários (NGSO) Para sistema de comunicações móveis - Crescimento continuo de sistemas VSAT (Very Small Aperture Terminal) - Alocação de frequências para sistema não-geo - Crescimento continuo de sistemas e difusão directa. -Lançamento do primeiro satélite LEO para terminais portáteis de mão (Iridium). - Serviços móveis (Inmarsat). 1998: Iridium inicia serviço 1999: Globalstar inicia serviço 13 Sistemas de Telecomunicações 2008
Iridium 14 Sistemas de Telecomunicações 2008
2 Conceitos básicos da comunicação por satélite 15 Sistemas de Telecomunicações 2008
Principais tipos de Orbitas GEO 36,000 km MEO 5,000 15,000 km LEO 500-1000 km 16 Sistemas de Telecomunicações 2008
Orbita Geoestacionária No plano do Equador Período da orbita equatorial = 23 h 56 min. 4.091 s = um dia sideral (definido como uma rotação completa relativamente às estrelas fixas) Satélite parece estacionário a um observador num ponto do equador Raio da orbita, r, = 42,164.57 km Raio da orbita= Altura da orbita+ raio da terra Raio médio da terra= 6,378.14 km 17 Sistemas de Telecomunicações 2008
Orbita Elíptica 18 Sistemas de Telecomunicações 2008
Velocidade e Período das orbitas Satellite Orbital Orbital Orbital System Period Height (km) Velocity (km/s) h min s INTELSAT 35,786.43 3.0747 23 56 4.091 ICO-Global 10,255 4.8954 5 55 48.4 Skybridge 1,469 7.1272 1 55 17.8 Iridium 780 7.4624 1 40 27.0 19 Sistemas de Telecomunicações 2008
Orbitas GEO e não GEO Orbitas não GEO: LEO MEO HEO 20 Sistemas de Telecomunicações 2008
Períodos de orbitas LEO, LEO e GEO 30.0 25.0 20.0 Hours 15.0 10.0 5.0 0.0 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 Altitude [km] 21 Sistemas de Telecomunicações 2008
Porque se mantêm os satélites em orbita v F 2 (velocity) (Inertial-Centrifugal Force) F 1 (Gravitational Force) 22 Sistemas de Telecomunicações 2008
3 Alocação do espectro 23 Sistemas de Telecomunicações 2008
Espectro de Frequência - Conceitos Frequência: Razão com que uma onda electromagnética altera a sua polarizada (oscila) em ciclos por segundos ou Hertz (Hz). Comprimento de onda: Distância entre frente de onda no espaço. Dado em metros como: λ= c/f Onde: c = velocidade da luz (3x10 8 m/s no vazio) f = frequência em Hertz Banda de Frequência: Intervalo de Frequência. Largura de Banda: Tamanho ou largura (em Hz) de uma banda de frequências. Espectro electromagnético: Conjunto completo de frequência de 0 até infinito 24 Sistemas de Telecomunicações 2008
Rádio Frequências RF Frequências RF : Parte do espectro electromagnético e correspondem às frequências entre 300 MHz e 300 GHz. Propriedades das RF: Radiação eficiente de uma sinal de potencia Radia no espaço livre Eficiente recepção em ponto diferentes As diferenças dependas das RF frequências utilizadas - Largura de banda do sinal - Efeito de propagação (difracção, ruído, fading) - Tamanho das antenas 25 Sistemas de Telecomunicações 2008
Frequências de Microondas Sub-intervalo das frequência RF entre 1GHz e 30GHz. Propriedades: - Propagação em linha de vista (espaço e atmosfera). - Limitado por meios densos (elevações, edificios, chuva) - Grande largura de banda comparando com as baixas frequências. - Antenas compactas, e possibilidade de directividade. 26 Sistemas de Telecomunicações 2008
Regulação do espectro de frequências - ITU International Telecommunication Union Uniformidade na regulamentação - Aloca bandas de frequência para os diferentes fins, no planeta - Define regras de forma a limitar as interferências de RF entre países 27 Sistemas de Telecomunicações 2008
Espectro de RF Bandas mais usadas SHF AM HF VHF UHF L S C X Ku Ka V Q 0,1 1 10 100 1 10 100 MHz GHz Bandas Terrestres Bandas espaciais Partilhadas (Terrestres e Espaciais) 28 Sistemas de Telecomunicações 2008
Utilização de frequências Espaço-Terra Frequência de ressonância abaixo100ghz: 22.2GHz (H 2 0) 53.5-65.2 GHz (Oxygen) Efeitos da atenuação atmosférica 29 Sistemas de Telecomunicações 2008
4 Aplicações de sistemas de satélites 30 Sistemas de Telecomunicações 2008
Aplicações iniciais dos satélites GEO : Telefonia 1965 Early Bird 34 kg 240 circuitos 1968 Intelsat III 152 kg 1500 circuitos 1986 Intelsat VI 1,800 kg 33,000 circuitos 2000 Large GEO 3000 kg 8-15 kw power 1,200 kg payload 31 Sistemas de Telecomunicações 2008
Aplicações actuais de satélites GEO - DIFUSÃO - principalmente Televisão - TVCABO, PrimeStar, XM radio, - Comunicações Ponto-Ponto Para Multiponto - VSAT, Distribuição de sinal para TV Cabo, Telefonia, - Serviços Móveis - Terrestar (4G IP misto satélite-terrestre), INMARSAT, 32 Sistemas de Telecomunicações 2008
Navegação por Satélite: GPS, GLONASS e GALILEO - GPS é sistema de satélite (MEO) - Os satélites difundem trens de impulso com elevada precisão temporal - Um receptor adequado a ver 4 satélites GPS pode calcular a sua posição com uma margem de erro máxima de 30 m - 24 em 8 orbita s de 4 satélites, com um período orbital de 12 horas - Navegação terrestre e marítima 33 Sistemas de Telecomunicações 2008
Satélites LEO - Novos sistemas em inicio de funcionamento - Orbitas circulares ou inclinadas < 1400 km altitude - Satélites cruzam o céu do horizonte-horizonte em 5-15 minutos - Estações terrestre devem seguir o satélites ou possuir antenas omnidireccionais - Obriga a uma constelação de satélites para uma comunicação continua. - Handoff entre satélites. 34 Sistemas de Telecomunicações 2008
5 Elementos do sistema 35 Sistemas de Telecomunicações 2008
Elementos de um sistema de satélite Segmento espaço Satélite Região de cobertura Estações Terrestres Estação de controlo Segmento Terra 36 Sistemas de Telecomunicações 2008
Segmento Espaço Fase de lançamento Fase de colocação em orbita Adaptação ao funcionamento Funcionamento TT&C - Tracking Telemetry and Command Station: Controla e monitoriza os feixes com o satélite. Corrige as distorções e orbitas. Distorções causadas por forças gravitacionais irregulares motivadas pela irregularidade da Terra (não esférica) e devido ainda à influencia do sole da Lua Fase de retirada do satélite 37 Sistemas de Telecomunicações 2008
Estabilização do satélite - Estabilização SPIN - Estabilização 3 Eixos 38 Sistemas de Telecomunicações 2008
Subsistemas do satélite Comunicações Antenas Transponders Subsistema Telemetria e comando (TT&C) Controlo do satélite (alinhamento de antenas e posicionamento ) Propulsão Energia Eléctrica Controlo Térmico 39 Sistemas de Telecomunicações 2008
Segmento Terra Estação Terrestre= Estação de comunicação por satélite(ar, terra ou mar, fixo ou móvel). Serviço fixo de satélite Serviço Movél de satélite 40 Sistemas de Telecomunicações 2008
6 Considerações do Projecto 41 Sistemas de Telecomunicações 2008
Princípios Básicos Satélite Estação Terrestre Feixe Ascendente Feixe Descendente Estação Terrestre Tx Entrada Informação Output Information Rx 42 Sistemas de Telecomunicações 2008
Espectro de RF Bandas mais usadas - Feixe ascendente e descendente: - FDD: Frequency Division Duplexing. - f1 = Ascendente - f2 = Descendente - TDD: Time Division Duplexing. - t1=ascendente, t2=descendente, t3=ascendente, t4=descendente,. - Polarização - Polarização Linear ( Vertical ou Horizontal) - Polarização circular
Separação dos sinais utilização do mesmo transponder em simultâneo - Entre canais/utilizadores (Acesso Multiplo): - FDMA: Frequency Division Multiple Access; atribui a cada utilizador a sua própria frequência da portadora - f1 = utilizador 1; f2 = utilizador 2; f3 = utilizador 3, - TDMA: Time Division Multiple Access; Cada utilizador tem o seu próprio intervalo de tempo - t1= utilizador 1, t2= utilizador 2, t3= utilizador 3,... - CDMA: Code Division Multiple Access; cada utilizador transmite simultaneamente e na mesma frequência a separação é efectuada por modulação em que cada um tem um código diferente no bitstream - código 1 = utilizador 1; código 2 = utilizador 2; código 3 = utilizador 3 44 Sistemas de Telecomunicações 2008
Sistema de Comunicação Digital TRANSMISSOR Entrada dados Codificação de dados Codificação de canal Modulador CANAL RF Saída Dados Descodifica dados Descodifica dor canal Desmodulador RECEPTOR 45 Sistemas de Telecomunicações 2008
7 Presente das e tendências futuras comunicações por satélite 46 Sistemas de Telecomunicações 2008
O presente nas comunicações por satélite - Satélites GEO grandes e pesados para múltiplas aplicações - Aumento da difusão directa de TV e Rádio - Expansão para bandas Ka, Q, V (20/30, 40/50 GHz) - Grandes crescimento de serviços baseados na Internet - Serviços Móveis: - Serviços de difusão em vez de ponto-a-ponto - Serviços móveis um negócio com sucesso? 47 Sistemas de Telecomunicações 2008
Futuro das comunicações por satélite - Crescimento precisa de novas frequências - Com a aumento da frequência RF a propagação através da chuva e das nuvens torna-se um problema - Banda-C (6/4 GHz) pouco impacto da chuva 99.99% de disponibilidade - Banda-Ku (10-12 GHz) Margem de feixe 3 db para garantir for 99.8% disponibilidade - Banda-Ka (20-30 GHz) Margem de feixe 6 db para garantir for 99.6% disponibilidade 48 Sistemas de Telecomunicações 2008
8 Referências 49 Sistemas de Telecomunicações 2008
Referências - John WatKinson, The MPEG Handbook, Focal Press, (2001) [Cap.2 e 5] - Keith Jack, Video Demystified, 4 Ed., Elsevier-Newnes (2005) [Cap.1, 2, 3 e 4] - Visual phantoms (Chikaku Colloquium 2004) http://www.psy.ritsumei.ac.jp/~akitaoka/phantome.html - Recomendação ITU-T Recommendation H.261, Video Codec for Audiovisual Services at px64 Kbits (1993) 50 Sistemas de Telecomunicações 2008