COMUNICAÇÕES VIA SATÉLITE

COMUNICAÇÕES VIA SATÉLITE Fernando Pereira Paula Queluz Instituto Superior Técnico 1

Estrutura de um Sistema de Comunicação Via Satélite Estação de Terra Estação de Terra Interface Terrestre Rede Terrestre Rede Terrestre Interface de Utente Utente 2

Comunicações Via Satélite: Serviços Telecomunicações Comunicações pessoais Difusão Transporte (~ Feixes Hertzianos) Posicionamento (GPS -Global Positioning System) Detecção remota Estudo da Terra Meteorologia Apoio à agricultura Espionagem 3

Serviços Móveis, Fixos e de Difusão Serviços móveis por satélite (Mobile Satellite Services, MSS), p.e. INMARSAT Serviços fixos por satélite (Fixed Satellite Services, FSS), p.e. INTELSAT, EUTELSAT Serviços de difusão por satélite (Broadcast Satellite Services, BSS), p.e. EUTELSAT, ASTRA 4

Competindo com a Fibra Óptica 5

Comunicações Via Satélite Vantagens Ligações a grande distância utilizando um único repetidor (o satélite). Vastidão da zona de cobertura (continente, país, ou região de um país). Ausência de condutas, postes ou outros requisitos logísticos. Cobertura de zonas de difícil acesso, onde instalações fixas são impraticáveis ou onde as infra-estruturas de telecomunicações são inexistentes. Comunicações móveis sem fios, independentemente da localização (aéreas, marítimas ou pessoais); serviços únicos de apoio à navegação e à aeronáutica. Baixo custo por receptor adicionado. Desvantagens Custo do satélite e do seu lançamento. Difícil manutenção. Atraso introduzido (~ 300 ms por salto, para os satélites GEO) 6

Breve Resenha Histórica (1) 1945 Arthur C. Clarke sugere, num artigo publicado na revista Wireless World, a possibilidade de comunicações globais através do uso de 3 satélites em órbita geoestacionária; 1954 A Lua é utilizada como repetidor passivo, mantendo-se um serviço regular para transmissão de voz entre o Haway e Maryland, no período 1956-1962; 1957 É lançado o Sputnik I, o primeiro satélite Russo, com órbita a 950 km de altura. Manteve-se operacional durante 62 dias. EUA aceleram programa espacial; 1958 É lançado o Explorer I, o primeiro satélite americano. Manteve-se operacional durante 5 meses; 1964 Estabelece-se a International Telecommunications Satellite (INTELSAT), organização internacional na qual Portugal esteve representado através da Marconi. 1965 É lançado o primeiro satélite da INTELSAT, conhecido como Early Bird ou Intelsat I; (...) 7

Breve Resenha Histórica (2) A concorrência Rússia-EUA levou à intensificação das investigações e ao lançamento de novos satélites. Em 1975, existem várias redes de satélites para comunicações comerciais: INTELSAT, MARISAT, INMARSAT,... (...) 1998 Aparecem as primeiras redes de satélite com cobertura global: IRIDIUM (66 satélites) e GLOBALSTAR (48 satélites). Torna-se possível a comunicação entre quaisquer dois pontos da Terra, utilizando terminais portáteis. 8

Projecto de um Satélite O lançamento de um satélite em órbita geoestacionária implica que este deva ser acelerado até uma velocidade de 3070 m/s numa órbita equatorial a 42242 km do centro da Terra. Actualmente, os satélites são colocados em órbita recorrendo a foguetões. O custo e as limitações do lançamento levam a que este seja normalmente feito usando 2 passos. A latitude do local de lançamento determina a inclinação da órbita de transferência e logo o gasto de energia na correcção da inclinação. O peso do satélite determina fortemente o seu tempo de vida e a sua capacidade de transmissão. A forma do satélite é fortemente determinada pelo esquema de correcção da órbita e pela área mínima de painéis solares. A duração dos eclipses do satélite pode atingir 70 minutos por dia o que põe problemas à potência de emissão no satélite. 9

Evolução das Comunicações Via Satélite Peso, Tamanho 10

Evolução dos Satélites INTELSAT 11

Evolução dos Satélites INTELSAT (cont.) 12

Arquitectura dum satélite de comunicações 13

Arquitectura (cont.) 14

Configurações típicas Configuração cilíndrica Estabilização (controlo da orientação) por movimento de spin Configuração cúbica Estabilização por movimento em torno dos 3 eixos 15

Telecommunications satellites have simplified the placement of transoceanic calls, and that simplicity has resulted in such an increase in overseas calls that the size and Exemplo: Intelsat VI

Exemplo: Kizuna Satélite de comunicações Japonês, lançado em 2008 17

Bandas de Frequência Utilizadas As bandas de frequência a utilizar nas comunicações por satélite são definidas pela ITU-R e atribuídas aos vários serviços pela WARC (World Administrative Radio Conference), um sub-grupo da ITU-R. As bandas de frequência do espectro radioelétrico mais favoráveis para as comunicações via satélite, situam-se entre 1 GHz e 10 GHz, já que: a absorção pelos gases da atmosfera, ou pela chuva, tem pouca importância nesta faixa de frequências; o ruído, quer galáctico quer produzido pelo Homem, é mais intenso para frequências mais elevadas; bom desenvolvimento tecnológico para estas frequências (tecnologia madura); atenuação em espaço livre inferior à verificada para frequências mais elevadas. 18

Nome da Banda HF-band VHF-band P-band UHF-band L-band S-band 1.8-30 MHz 50-146 MHz Gama de Frequência 0.230-1.000 GHz 0.430-1.300 GHz 1.530-2.700 GHz 2.700-3.500 GHz C-band Downlink: 3.700-4.200 GHz Uplink: 5.925-6.425 GHz X-band Downlink: 7.250-7.745 GHz Uplink: 7.900-8.395 GHz Ku-band (Europe) Downlink: FSS: 10.700-11.700 GHz DBS: 11.700-12.50 0 GHz Uplink: FSS: 14.000-14.800 GHz; DBS: 17.300-18.100 GHz Ku-band (America) Downlink: FSS: 11.700-12.200 GHz DBS: 12.200-12.700 GHz Uplink: FSS: 14.000-14.500 GHz DBS: 17.300-17.800 GHz Ka-band Roughly 18-31 GHz O elevado número de serviços terrestres na faixa 1-10 GHz e a ocupação desta faixa por vários serviços de satélite, conduziu à utilização de bandas de frequências superiores aos 10 GHz, existindo actualmente serviços comerciais nas bandas Ku e Ka. De notar que, devido às limitações de potência no satélite, o percurso descendente é mais crítico que o ascendente, justificando que lhe sejam usualmente atribuídas bandas de frequências mais baixas que as utilizadas para o percurso ascendente. 19

Órbitas Típicas para Satélites de Comunicação Órbitas circulares: GEO geostationary Earth orbit ( 36 000 km de altitude) MEO medium Earth orbit ( 5 000 a 15 000 km de altitude) LEO low Earth orbit (700 a 900 km de altitude) Órbitas elípticas: HEO high elliptical orbit 20

Órbitas Típicas para Satélites de Comunicações 21

Cinturas de Van Allen Existem duas zonas de elevada radiação cinturas de Van Allen à distância da Terra de 1500-5000 km e 15000-20000 km. A radiação existente nestas zonas deteriora fortemente o equipamento dos satélites, impossibilitando a utilização de satélites em órbita nessas zonas. Abaixo dos 200 km não é tecnicamente possível a manutenção de um satélite, devido ao seu baixo tempo de vida por deterioração e aquecimento.

Órbitas Típicas para Satélites de Comunicação Órbitas circulares: GEO geostationary Earth orbit ( 36 000 km de altitude) MEO medium Earth orbit ( 5 000 a 15 000 km de altitude) LEO low Earth orbit (700 a 900 km de altitude) Órbitas elípticas: HEO high elliptical orbit 23

Atraso de propagação 24

Características das Órbitas GEO, LEO e HEO 25

A Órbita (versão simplificada para órbitas circulares) Considerando que estão em presença a Terra e o satélite, deve ter-se em conta FORÇA DE ATRACÇÃO entre 2 corpos (Lei de Newton) f a = k M m / r 2 onde k é a constante de gravitação, M a massa da Terra, m a massa do satélite e r a distância entre os 2 centros de massa (raio da órbita) FORÇA CENTRÍFUGA provocada pelo movimento de translacção f c = m 2 r onde é a velocidade angular da órbita (rad. s -1 ) 26

A Órbita (versão simplificada para órbitas circulares) Para que a órbita seja estável, é necessário que as 2 forças em presença se equilibrem ou seja o que implica que ou f a = f c r 3 = k M / 2 r 3 (km) = 5075, 6277 T 2 (hora) r (km) = 5075, 6277 T 2/3 (hora) que corresponde ao enunciado da 3ª Lei de Kepler: o cubo do raio da órbita é proporcional ao quadrado do respectivo período. 27

Satélite Geosíncrono Um satélite diz-se geosíncrono quando tem um período orbital igual ao período de rotação da Terra ou seja T = 23 h 56 min 4.1 s. O período de rotação da Terra vale T = (360 o + ) / 24 com = 360 o /365.25 => T = 360 o / T 23.9345 h Como r (km) = 5075, 6277 T 2/3 (hora) então: T= 12 h r = 26604 km Alt. = 22231 km T= 23.9345 h r = 42154 km Alt. = 35781 km T= 24 h r = 42231 km Alt. = 35858 km 28

Órbita Geoestacionária (Vista do topo) (Vista de frente) 29

Satélite Geoestacionário No contexto das órbitas possíveis, tem especial interesse para as Telecomunicações a órbita geoestacionária que É geosíncrona ou seja tem uma duração igual ao período de rotação da Terra É equatorial ou seja situa-se no plano do Equador Os satélites com órbita geoestacionária têm a propriedade de, observados a partir da Terra, parecerem imóveis no espaço. 30

Ângulo de fogo da antena de Terra O ângulo de fogo com que a estação de Terra olha o satélite deve ser superior a 0 o (Intelsat especifíca > 5 o ) para que: A Terra não obstrua a visão do satélite O percurso na atmosfera seja minimizado A contribuição da presença da Terra no ruído do receptor na estação de Terra seja limitada cos( l) r arctan sin( l) T / r l 81.3 0 8.7 o o : ângulo de fogo l : latitude da estação r T : raio da Terra r : raio da órbita

Cobertura da Terra por Satélite Um satélite em órbita geoestacionária pode comunicar com estações de Terra situadas numa zona correspondente à intersecção de um cone com vértice no satélite e semiabertura de = 8.7 o e a própria Terra. Zona coberta na Terra entre 81.3 o N e 81.3 o S. Se se excluirem as zonas polares, é possível com 3 satélites em órbitas geoestacionárias cobrir praticamente toda a superfície da Terra. 32

Cobertura da Terra por Satélite: INMARSAT 33

34

Rede Intelsat 10-02 @ 359 0 E 35

10-02 @ 359 0 E 36

Ku-band Spot 1 37

Especificações (Intelsat) EIRP do satélite Densidade de potência a colocar no satélite Factor de Mérito da estação de Terra 38

Parâmetros Relevantes Satélite Potência Isotrópica Equivalente Radiada ou Equivalent Isotropic Radiate Power (EIRP) EIRP = P s + G s [db m, db W ] equivale à potência radiada por uma antena isotrópica Estação de Terra Densidade de potência a colocar no satélite = P T + G T 10 log 10 (4 d 2 ) [db W /m 2 ] Estação de Terra - Factor de Mérito (G/T) (G/T) = 10 log 10 (g T /T eq ) [db/k] onde T eq é a temperatura equivalente de ruído da estação de Terra e g T é o ganho da antena da estação de Terra. 39

Temperatura equivalente de ruído Considere-se o quadripolo onde g ganho de potência B W largura de banda equivalente de ruído F factor de ruído T i temperatura da fonte de ruído (térmico) na entrada T i s i,n i g, B w, F s o,n o Tem-se s o =g s i n i = k T i B W n o =g n i +n int (k=1.38 10-23 J/K constante de Boltzman) onde n int é o ruído gerado pelo quadripolo Dimensão: Kelvin F = (s/n) i / (s/n) o = 1+ n int /(gn i ) = 1+ n int /(gk T i B W )=1+T e /T i F=1+ T e /T i, onde T e é a temperatura equivalente de ruído do quadripolo e T e = n int /(gkb W ) 40

Temperatura equivalente de ruído (cont.) Temperatura padrão (290 K) F=1+ T e /T i : factor de ruído; F o =1+ T e /T o : factor de ruído padrão Como n o =g n i +n int n o =g k T i B W + g k T e B W = g k B W (T i +T e ) ideal T i g, B w, F T i g, B w Associação em cadeia de quadripolos T e T i g 1, F 1 g 2, F 2 g 3, F 3 T i ideais g 1 g 2 g 3 T cadeia = T e1 T g e2 1 Te 3 g g 1 2 41

Temperatura Equivalente de Ruído da Estação de Terra Para avaliar o desempenho da ligação no percurso descendente, é necessário calcular o ruído térmico total introduzido pela cadeia de elementos activos e/ou passivos da estação receptora, bem como o ruído térmico captado pela antena. Para isso, define-se a Temperatura equivalente de ruído da estação, Teq g T Guia Pré - amplificador Receptor T a F, T er, B w, g c T a temperatura de ruído captada pela antena F factor de ruído da cadeia de quadripolos que constituem a estação T er temperatura equivalente de ruído da cadeia de quadripolos, referida aos terminais de entrada da cadeia B w largura de banda equivalente de ruído da cadeia (s/n) i, (s/n) o relação sinal-ruído à entrada e à saída da cadeia (G/T) = 10 log 10 (g T /T eq ) g T ganho da antena da estação de Terra g c ganho da cadeia Factor de mérito T eq = (T a + T er ) temperatura equivalente de ruído da estação de Terra (db/k) 42

Temperatura Equivalente de Ruído da Estação de Terra (cont.) Como atrás se deduziu: n o = g c k T eq B w Nota: k=1.38 10-23 J/K constante de Boltzman A temperatura equivalente de ruído da estação é T eq =T a +T er e o ruído na recepção, referido aos terminais de entrada, pode ser calculado por: n = k T eq B w O parâmetro (G/T) = 10 log 10 (g T /T eq ) (db/k) permite caracterizar o desempenho da estação de Terra, sendo designado por Factor de Mérito da estação. 43

O Percurso Ascendente - Uplink O percurso ascendente é o percurso entre a estação de Terra emissora e o satélite, receptor. Este percurso é menos crítico que o percurso descendente e por isso funciona normalmente a uma frequência mais elevada, p.e. 6/4 GHz ou 14/11 GHz. ascendente A densidade de potência colocada no satélite pela estação de Terra é descendente = P T + G T 10 log 10 (4 d 2 ) [db W /m 2 ] Do ponto de vista do ruído, o satélite comporta-se como um simples amplificador com um certo ganho e factor de ruído. Para cada satélite e gama de frequência, a INTELSAT especifica a densidade de potência a colocar no satélite. 44

O Percurso Descendente - Downlink O percurso descendente é o percurso entre o satélite emissor e a estação de Terra, receptora. Este percurso é o mais crítico devido às limitações de potência no satélite. A relação sinal-ruído na estação de Terra (considerando apenas o percurso descendente) vem: C/N=P S + G S + G T L fs - 10 log 10 (KT eq B w )=EIRP + G/T - L fs - 10 log 10 (KB w ) A atenuação do percurso é normalmente calculada para a situação mais desfavorável ou seja para os ângulos de fogo mais baixos. A INTELSAT especifica um ângulo de fogo mínimo de 5 o para o qual se tem d=41118 km. Sendo EIRP e G/T especificados pela INTELSAT para cada gama de frequência, C/N fica essencialmente dependente da largura de banda. Nas comunicações via satélite, o desvanecimento deixa de ser importante devido ao ângulo com que se atravessa a atmosfera mas a atenuação da chuva continua a ser relevante. Para ligações via satélite digitais, a qualidade de referência é normalmente uma taxa de erros de 10-6. 45

Problemas com o Sol Períodos de eclipse Em torno dos equinócios da Primavera e do Outono a luz solar é bloqueada, durante um certo intervalo de tempo (período do eclipse), pela Terra e não atinge os paineis solares. O período de eclipse dura, no máximo, 72 minutos, sendo necessário recorrer às baterias existentes no satélite. Alinhamento Sol-Satélite- Estação (Sun outage) Imediatamente antes/após o equinócio da Primavera/Outono a ligação satélite- Terra fica alinhada com o Sol, o que aumenta muito a temperatura de ruído da estação de Terra, degradando a qualidade da ligação e podendo mesmo conduzi-la ao corte. Esta situação pode ocorrer durante alguns minutos/dia, durante alguns dias. 46

Relação C/N Global do Sistema A relação sinal-ruído do sistema global, (c/n) T, e que determina a taxa de erros binários (BER) na estação de Terra, pode-se relacionar com as relações sinal-ruído para cada um dos percursos considerados de forma independente: c ( ) n T c ( ) n 1 a c ( ) n 1 d 1 (c/n) a relação sinal-ruído no percurso ascendente; (c/n) d relação sinal-ruído no percurso descendente, calculada como atrás exposto, i.e., de forma independente do percurso ascendente; (c/n) T relação sinal-ruído global na estação de Terra, i.e., considerando o efeito combinado dos dois percursos. Uma vez que a relação sinal-ruído do sistema resulta do paralelo das relações sinal-ruído em cada um dos percursos, o desempenho global do sistema é normalmente condicionado pelo percurso com a relação sinal-ruído mais baixa. 47

Porquê o paralelo das relações c/n? n a potência do ruído introduzido no percurso ascendente p ra potência do sinal recebido no percurso ascendente n d potência do ruído introduzido no percurso descendente p rd potência do sinal recebido no percurso descendente n T potência do ruído total na estação de Terra g ganho do amplificador do satélite g S ganho da antena emissora do satélite g T ganho da antena receptora da estação de Terra l fs a atenuação em espaço livre no percurso descendente p ra ; n a g g S l fs g T R p rd ; n T 48

Relação sinal-ruído no percurso ascendente: c ( ) n a p n ra a Potência de sinal recebido no percurso descendente: Relação sinal-ruído no percurso descendente: c prd pragl ( ) d n n n Relação sinal-ruído do sistema global: p ra ; n a g d g S l fs g T d R c ( ) n p rd ; n T T p n rd T p rd p ra gs g g l com L n a pragl gl n a c ( ) n ra 1 a d fs fs T gs g l d c ( ) n T 1 d p 1 ( nagl nd ) /( p 1 n / p n / p ra ra 1 ra gl gl) gl 49

Saída da Terra Níveis de Potência de Sinal Link Power Budget Saída do satélite Exemplo para um satélite INTELSAT Chegada ao satélite Chegada à Terra 50

O Sistema de Comunicações O sistema de comunicações é a componente principal de um satélite de comunicações ainda que possa não constituir a parcela maior em termos de peso e volume. O sistema de comunicações é basicamente constituído por uma ou mais antenas e um conjunto de receptores e emissores que recebem, amplificam e retransmitem os sinais. As unidades básicas de recepçãoemissão são conhecidas como transpositores (transponders). INTELSAT V 51

10-02 @ 359 0 E 52

Arquitectura de um Transpositor Transpositor ( transponder ) Front end Translacção de frequência Amplificador Filtro uplink G 80 100 db (vários andares de amplificação) downlink Alocação de frequências para um satélite com 24 transpositores Existem vários transpositores por satélite, cada um a operar numa fracção da banda disponível. Os satélites actuais têm entre 24 a 72 transpositores, com uma banda típica de 36 MHz (cada transpositor). 53

O Acesso Múltiplo O acesso múltiplo corresponde à possibilidade de um elevado número de estações de Terra comunicarem simultaneamente através do mesmo satélite. O acesso múltiplo influencia todos os blocos do sistema, determina a sua capacidade e flexibilidade e é fundamental para o seu custo e rentabilidade. O problema básico em questão é como permitir a um grupo variável no tempo de estações o uso simultâneo dos recursos do satélite de modo a optimizar: Capacidade do satélite Utilização do espectro Potência do satélite Interconectividade Flexibilidade Adaptabilidade a misturas de tráfego Custo Aceitação do utente Como a optimização simultânea de todas estas variáveis é impossível, trata-se de encontrar o compromisso possível entre elas! 54

Técnicas de Acesso Múltiplo O acesso múltiplo corresponde à possibilidade de um elevado número de estações de Terra comunicarem simultaneamente através do mesmo satélite. Existem 3 técnicas principais de acesso múltiplo: Acesso múltiplo por divisão na frequência (Frequency Division Multiple Access, FDMA) todas as estações usam o satélite ao mesmo tempo mas cada uma usa uma gama de frequência diferente (comum em transmissão analógica). Acesso múltiplo por divisão no tempo (Time Division Multiple Access, TDMA) as estações transmitem à vez (numa dada gama de frequência) usando os slots no tempo que lhe foram atribuídos (comum em transmissão digital). Acesso múltiplo por divisão no código (Code Division Multiple Access, CDMA) várias estações transmitem simultaneamente na mesma frequência sinais espalhados no espectro, codificados ortogonalmente; a recuperação de um sinal implica o conhecimento do código usado para espalhar o sinal no espectro. 55

FDMA, TDMA e CDMA 56

FDMA 57

TDMA 58

CDMA 59

CDMA (cont.) 60

Notas finais Os satélites têm vindo a assumir um papel cada vez mais variado em termos de serviços prestados, p.e. comunicações fixas, móveis e de difusão. Este papel tem variado ao longo do tempo e dependerá sempre das alternativas terrestres, guiadas ou não guiadas, que existirem em cada momento (e das suas características). Os satélites permitem facilmente coberturas vastas e em zonas de difícil acesso mas têm a desvantagem do atraso devido às grandes distâncias percorridas. A tecnologia para lançamento de satélites é cara e complexa mas existem cada vez mais países capazes de o fazer. 61

E no futuro... http://telecom.esa.int/telecom/www/object/index.cfm?fobjectid=29325 62

Bibliografia Satellite Communications Systems Engineering, Louis J. Ippolito Jr., Wiley, 2008 (ISBN 978-0-470-72527-6) 63