Comunicações por satélite
Texto muito interessante sobre satélites, extraído do site http://www.pop-rs.rnp.br/~berthold/etcom/teleproc-2000/satelite/satelite.htm Página de Leandro Márcio Bertholdo.
SATÉLITE
1. Fatores Motivadores
Sem dúvida, o maior fator motivador para a utilização de satélite como meio de transmissão, foi a inexistência de meios físicos entre localidades alvo da comunicação. Como os satélites podem cobrir praticamente quaisquer áreas do globo terrestre, são a melhor opção para atingir pontos de difícil acesso..
Outro fato determinante para a utilização de satélites como meio de transmissão foi a indisponibilidade de meios de transmissão digital a baixo custo. As atuais redes digitais não existiam ha 10 anos atrás. Os serviços analógicos de transmissão, como o Transdata, apresentavam taxas de erro na ordem de 1X10-5, contra 1X10-7 dos serviços digitais atuais.
O custo dos meios de transmissão analógicos também foi um fator motivador do usa da tecnologia satélite, tendo, todavia, deixado de ser, nos últimos anos.
2. Características da Comunicação Via Satélite.
2.1. Disponibilidade e Qualidade
Altas disponibilidade e qualidade são as principais características da transmissão via satélite. A disponibilidade, tipicamente, ultrapassa 99,5 % e a qualidade é melhor do que BER 1X10-7 .
2.2. Flexibilidade Na Implantação
Outra característica marcante é a flexibilidade no que tange a instalação e mudança de pontos, que podem ser efetuadas sem necessidade da existência de rede telefônica.
2.3. Atraso
Uma característica não tão desejável, na transmissão via satélite, é o atraso de propagação, como será visto adiante.
2.4. Custo
O custo de um canal independe da distância entre os pontos que integram a rede. A multiplexação dos dados permite a recuperação dos mesmos independentemente de sua localização geográfica. O custo da comunicação via satélite é compatível com o custo da comunicação analógica terrestre. Nos últimos anos o custo da transmissão digital caiu constantemente, bem abaixo da via satélite.
3. O Que é Satélite?
Satélite é o elemento comum de interligação das estações terrenas, atuando como estação repetidora. Devido a sua altitude, permite a transmissão de sinais diretamente entre duas estações, sem que existam necessariamente pontos intermediários.
4. Componentes de um Sistema Satélite
Um sistema satélite é composto de um Segmento Espacial e um Segmento Terrestre.
O Segmento Espacial é composto por um ou mais satélites e pelos equipamentos necessários às funções de suporte e operação dos satélites, tais como telemetria, rastreio, comando, controle e monitoração.
O subsistema satélite é uma estação repetidora de microondas, repetindo sinais sobre grandes distâncias. Inicialmente foram utilizados satélites de baixa órbita (LEOs), completando 1 volta no planeta a cada poucas horas. As estações terrenas eram de alto custo pois tinham de mover-se, e o sistema interrompia a transmissão cada vez que o satélite desaparecia atras do horizonte, retornado após surgir novamente no lado oposto.
Surgiram então, para solucionar esses problemas, os satélites geoestacionários, ou geossíncronos.
No final do século 17, Sir Isaac Newton apresentou uma descrição científica do porquê a Lua não cai na Terra e porque a Terra não cai no Sol. A primeira Lei de Newton, uma extensão lógica do trabalho anterior de Johannes Kepler, propôs que cada porção de matéria do Universo atrai cada outra porção de matéria com uma força proporcional ao produto de suas massas e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre as duas porções. Isto é, grandes massas atraem com mais intensidade e a atração diminui quando os corpos são afastados. A Lei da Gravidade de Newton significa que o Sol atrai a Terra (e cada outro planeta) e a Terra atrai o Sol. Além do mais, como ambos são bastante grandes (pelos nossos padrões) a força deve ser grande também. A questão que resta é: "se a Terra e os demais planetas se atraem com tais forças, por que não caem em direção ao Sol? Na verdade a resposta é muito simples: a Terra e os demais planetas estão constantemente caindo em direção ao Sol e a Lua esta, da mesma forma, continuamente caindo na Terra. Nossa salvação é que também nos movemos "lateralmente" com uma velocidade suficiente para compensar a queda, "fugindo" do Sol. Este processo repete-se continuamente com a Terra (e todos outros planetas) a medida que faz sua viagem aparentemente interminável ao redor do Sol. Da mesma forma a Lua se comporta em relação à Terra. Qualquer corpo celeste, que se encontre a qualquer distância do Sol sem apresentar o movimento lateral, vai cair diretamente no Sol. O movimento lateral em questão chama-se velocidade angular.
A Terra Orbita o Sol Devido à Velocidade Angular
Por vezes as pessoas se referem erroneamente aos objetos em órbita como tendo escapado dos efeitos da gravidade, já que eventuais passageiros experimentam uma sensação de aparente ausência de peso. No entanto, a força da gravidade continua atuante. Se esta força deixasse de existir repentinamente, o objeto em questão deixaria imediatamente a órbita assumindo uma trajetória de movimento retilíneo. No caso da Terra, após um século, teria se distanciado mais de 80 bilhões de quilômetros do Sol.
A Terra Deixa de Gravitar o Sol Se A Gravidade do Sol Cessar
A aparente falta de peso experimentada pelos passageiros em órbita é a mesma falta de peso que pode ser sentida num elevador em queda ou em alguns brinquedos de parques de diversões. A Terra orbitando o Sol ou a Lua orbitando a Terra podem ser comparadas a uma pedra na extremidade de uma corda que é girada em torno de um centro. Como a pedra se move lateralmente, em referência ao centro, sempre desvia-se deste, nunca o atingindo. Se a corda se romper, a pedra será liberada de sua órbita e voará em linha reta.
Outra questão que surge é a referente ao tempo requerido para completar uma órbita em função da distância do objeto em órbita. Kepler concluiu que o tempo depende da distância na razão R3/T2 (R é a distância na qual um planeta orbita o Sol e T é o tempo requerido para completar uma órbita), obedecida por todos planetas.
Após a publicação das Leis de Newton, chegou-se a conclusão que seria possível lançar satélites artificiais que poderiam orbitar a Terra como a Lua o faz. Um cálculo inicial, utilizando a fórmula:
onde R é a distância da Terra,
mostra que um objeto orbitando próximo à superfície da Terra (R=6400 Km) apresenta um período orbital de aproximadamente 90 minutos. Isto corresponde a uma velocidade de deslocamento lateral de aproximadamente 27.300 Km/h.
Por muitos anos tal velocidade foi impensável, e os satélites artificiais permaneceram um sonho. Posteriormente, a tecnologia de foguetes e o desenvolvimento dos sistemas de guia, resultantes da pesquisa de armamentos desenvolvida na Alemanha durante a Segunda Guerra Mundial. Finalmente, em 1957, o primeiro satélite artificial, o Sputnik, foi lançado pela União Soviética. Composto por um invólucro metálico contendo um transmissor de rádio, causou sensação. Os "beeps" emitidos pelo Sputnik repetiam-se a cada 90 minutos, tempo necessário para completar uma órbita.
Após as primeiras experiências, inclusive com o lançamento de Yuri Gagarin, o primeiro ser humano a orbitar o planeta, e posteriormente John Glenn, sabia-se que o período de uma órbita poderia ser alongado se pudessem ser alcançadas maiores altitudes. O escritor Arthur Clarke, em meados dos anos 40, defendeu a idéia de que um satélite orbitando a 35.800 Km de altitude levaria exatas 24 horas para completar uma órbita da Terra. Desde então uma órbita desse tipo é chamada geossíncrona ou geoestacionária. Se, adicionalmente, estiver orbitando a Linha do Equador, aparentaria, para um observador terrestre, estar parado no céu. O lançamento de tal tipo de satélite, no entanto, dependia de uma tecnologia não disponível na época, ocorrendo apenas em 1965 com o lançamento do Pássaro Madrugador, 1º satélite geoestacionário.
Os satélites de comunicação utilizados para comunicação de dados e propagação de sinais de televisão são do tipo geossíncrono. As razões para o emprego desse tipo de satélite são bastante simples: as estações terrenas não precisam ser dotadas de antenas móveis e a área iluminada pelo satélite é constante, sem interrupção de sinal a cada órbita. O satélite de comunicação, em sua essência, é apenas um repetidor de sinal, captando os sinais transmitidos das estações terrenas, amplificando-os e retransmitindo-os para a Terra. A grande vantagem da comunicação através do satélite reside exatamente no fato de que cobre áreas enormes sem encontrar obstáculos geográficos além da própria atmosfera terrestre. Os sinais são transmitidos na forma de radiocomunicação microondas, tipicamente nas freqüências entre 1,5 Ghz (banda L) e 30 Ghz (banda Ka). A ampla área de cobertura permite comunicação entre pontos muito distantes um do outro, sem necessidade de pontos intermediários de retransmissão para compensar a curvatura da crosta terrestre, como no caso dos enlaces microondas terrestres.
5. Subsistemas de Um Satélite
Comunicações
Telemetria, comando e rastreio
Controle de atitude
Propulsão
Energia
Controle térmico
O subsistema que mais nos interessa é o de comunicações. È um repetidor ativo que recebe, converte a freqüência, amplifica e retransmite para a Terra os sinais recebidos. Os circuitos são denominados Transponders. Cada Transponder é responsável pela recepção e retransmissão de uma determinada banda de freqüência. Um satélite tem, tipicamente, de 20 a 40 Transponders.
6. Faixas de Freqüência
Banda L – 1,5 a 2,5 GHz
Banda C – 4,0 a 6,0 GHz
Banda Ku – 11,0 a 14,0 GHz
Banda Ka – 20,0 a 30,0 GHz
7. Os Satélites do SBTS
O SBTS, Sistema Brasileiro de Transmissão Por Satélite, de propriedade da Embratel, é composto por satélites com as seguintes características básicas:
Giroestabilizados – atitude é mantida pela força centrípeta da metade que gira sobre o próprio eixo;
Comprimento 7,1 metros;
Diâmetro 2,16 metros;
Massa: 1.140 Kg (lançamento) e 671 Kg (órbita);
36 transponders, 36 MHz, 36 dBW;
Redundância TWT ¼;
Freqüências 6,0 GHz (up) e 4,0 GHz (down);
Energia: 982 W (inicial) e 799 W (final);
Potência Irradiada (EIRP/canal): >= 34 dBW;
Espectativa Vida Útil: 11 anos;
36.000 Km de altitude em 65W e 70W
8. O Segmento Terrestre
O segmento terrestre é composto pelas estações terrenas de comunicação. Uma estação terrena é composta pelos seguintes componentes:
Antena;
Amplificadores de potência de transmissão (HPA);
Amplificadores de recepção de baixo ruído (LNA e LNB);
Equipamentos de comunicação (GCE)
9. Antenas
As antenas utilizadas pelas estações terrenas são do tipo parabólico, podendo variar a disposição do alimentador e refletores. Os diâmetros variam de 1,20 m (microestação VSAT) até 14 m (estação tipo HUB). Os 3 tipos de antenas mais comuns são:
Cassegrain: 1 sub-refletor hiperbólico e 1 refletor parabólico;
Ponto Focal: refletor parabólico com alimentador no ponto focal;
Cassegrain Offset: Alimentador s sub-refletor desalinhados do vértice e do foco.
A escolha do tipo das antenas é um dados de projeto. Normalmente as microestações tipo VSAT utilizam antenas tipo Offset. Já estações tipo Hub, de grandes dimensões, utilizam antenas tipo ponto focal ou cassegrain. Cada qual apresenta características diferenciadas de iluminação e absorção de ruído.
10. Múltiplo Acesso e Modulação
As técnicas de modulação utilizadas na transmissão via satélite são:
FDM/FM
SCPC/FM
SCPC/PSK
Múltiplo Acesso
Na modulação FDM/FM encontramos uma portadora modulada em freqüência (FM) por um sinal de banda básica formado por vários canais, divididos e multiplexados por divisão de freqüência (FDM). Quando o sinal modulado é associado a dois ou mais destinos, é utilizado o conceito de multidestino.
Na modulação SCPC – canal singelo por portadora, cada canal é processado de forma individual e cada portadora é modulada por apenas um canal. Para transmissão de canais analógicos a portadora é modulada em freqüência (FM). Para transmissão de sinais digitais a portadora é modulada em fase (PSK).
No Múltiplo Acesso várias estações utilizam o mesmo repetidor simultaneamente. Existem 3 técnicas básicas de compartilhamento do satélite por Múltiplo Acesso:
FDMA – Múltiplo Acesso Por Divisão de Freqüência, com consignação única de freqüência para cada estação. Utiliza modulação SCPC/PSK. Não necessita de sincronismo comum à rede, apresentando portanto baixo custo de equipamentos. Utiliza, no entanto, mais segmento espacial, com maior custo do serviço. Usa técnicas bem conhecidas e dominadas, apresentando tempo de resposta bem definido. O sistema não é econômico para estações de alta capacidade de compartilhamento.
TDMA – Múltiplo Acesso Por Divisão de Tempo, com todas estações com mesma freqüência, em tempos diferentes. Divisão da faixa de Transponder no domínio do tempo, de modo que cada usuário possa empregar toda faixa de freqüência e toda potência disponível no instante em que transmite. Em cada instante apenas 1 usuário emprega o Transponder. Como não há intermodulação, o Transponder pode ser operado próximo à saturação (sem back-off). O sincronismo é complexo, implicando o alto custo das estações terrenas.
CDMA – Múltiplo Acesso Por Divisão de Código, onde todas estações se utilizam da mesma freqüência em tempos iguais, porém usando códigos diferentes, designados para seu uso exclusivo. Utiliza técnica de espalhamento espectral (spread spectrum). Próprio para transmissão de sinais digitais, apresenta grande robustez à interferências. Cada usuário combina o sinal a ser transmitido com um código de espalhamento diferente. A taxa de bits de código é bem superior a taxa de bits de informação, sendo a banda de espectro ocupada pelos bits de código (chips) bem mais larga do que a ocupada pela informação original.
11. VSAT – Very Small Apperture Terminal
Os sistemas VSAT apresentam topologia em estrela, com duplo salto, para comunicação entre estações terrenas de pequenas dimensões e custo. No centro da rede fica uma Estação Principal, ou Hub, que gerencia a rede e roteia as mensagens entre as estações VSAT. A estação principal é de grandes dimensões, com antenas a partir de 10 m de diâmetro. As estações remotas, as VSATs, tem antenas de 1,2 m a 2,4 m de diâmetro.
A comunicação Estação Principal para a VSAT é feita através de um canal outbound através de multiplexação TDM.
A comunicação VSAT para a Estação Principal é feita através de um canal inbound, combinando acesso aleatório com transmissão por reserva, com várias VSATs compartilhando o mesmo canal.
Para reduzir o problema do atraso de propagação, utilizam-se protocolos com janela de transmissão e o tratamento local de protocolos (spoofing). As características de sincronismo dos protocolos não são propagadas. É feita bufferização da mensagem.
Normalmente os projetos de rede contemplam um tempo de resposta de 3 a 4 segundos para 95 % dos casos, podendo chegar a 8 segundos.
Normalmente as estações terrenas tipo VSAT são compostas por uma parte externa – outdoor unit, que inclui antena e equipamento de RF, e uma parte interna – indoor unit, que comporta FI e as interfaces de comunicação de dados, WAN e LAN. Os protocolos suportados geralmente são SDLC, X.25, IBM BSC, TCP/IP e VIP. Opcionalmente podem apresentar CODECs para transmissão de voz e facilidades de dial-backup
12. Dimensionamento e Projeto
Cada projeto tem solução específica, devendo ser feita análise de Aplicação, Localização das Estações e Parâmetro do Satélite Utilizado.
O projeto é demorado e dispendioso. Inicialmente é feito um projeto simplificado, levando em conta propagação no espaço livre em presença de ruídos térmico e de intermodulação. Quando existe mais certeza de efetivação é feito o projeto completo, onde ao modelo simplificado são associadas inúmeras outras componentes de desempenho do sistema.
13. Os Serviços Embratel
Existem diversos fornecedores de equipamentos para montagem de uma rede de transmissão via satélite, como Hughes, Vitacom, Tridom, Scientific Atlanta, NEC e G&E. O Segmento Espacial, no entanto, é provido apenas pela Embratel, no Brasil. Os serviços de provimento de facilidade satélite chamam-se Serviços DataSat:
DataSat Plus – Serviço SCPC/MCPC para transmissão em alta velocidade ponto-a-ponto ou multiponto. Velocidades de 64 Kbps a 2 Mbps;
DataSat Uni – Serviço de difusão de mensagem, unidirecional, para estações tipo VSAT;
DataSat Bi – Serviço bidirecional para estações tipo VSAT. Se as estações terrenas forem da Embratel, chama-se Compartilhado. Se as estações terrenas forem do cliente, chama-se Exclusivo.
14. Preço
Para estabelecer o preço de um sistema de transmissão por satélite é necessário efetuar, pelo menos, o projeto simplificado. Existem dois componentes básicos de custo, o Segmento Terrestre e o Segmento Espacial. No provimento do Segmento Espacial são levadas em conta a faixa de freqüência (largura de banda) e a potência de Transponder necessárias para o projeto. No dimensionamento dos equipamentos que vão compor o Segmento Terrestre serão levadas em consideração uma gama de variáveis, como a figura de mérito das estações, localização geográfica, aplicação, tráfego escoado e outras.
Resumindo, não existem soluções "de prateleira" na área de satélite, exigindo uma análise prévia para estimativa de preços.
15. Links Interessantes Sobre o Assunto
http://www.embratel.com.br/tecnologia/satelite/sat_index.html