Comunicação de Satélite

Um satélite é um objeto físico que as órbitas ou fazem girar em volta de algum corpo celestial. Os satélites de comunicação são estações de revezamento usadas para transmitir a informação que estão tendo restrições de linha da vista.

As estações de transmissão enviam a informação ao satélite que inturn o retransmitem às estações de recepção. Assim o satélite nesta aplicação é chamado como Repetidor.

O satélite contém um receptor, que faz as atividades seguintes:

a) marque um sinal transmitido
b) Amplifica-o
c) Traduz-o a outra freqüência
d) Esta nova freqüência então é retransmitida à estação de recepção atrás na terra.

Os sinais (originais) transmitido da estação terrestre ao satélite são chamados “uplink” e o sinal retransmitido do satélite à estação de recepção é chamado o "abaixo conexão”.

O receptor-transmissor é um termo usado para o transmissor – a combinação de receptor no satélite e as suas funções básicas é a transmissão de freqüência e a amplificação.

Um receptor-transmissor compõe-se de três item seguinte:

a) O Ampliador Baixo e barulhento (LNA) que o receptor e amplifica os sinais de uplink.
b) Um misturador que converte o sinal em outra freqüência
c) Um alto ampliador de poder que retransmite os sinais na sua nova freqüência downlink.

Subsistema de Satélite

a) Subsistema de poder
b) Subsistema de comunicação
c) Subsistema de antena
d) Rastreamento de telemetria e subsistema de controle
e) subsistema de controle a grande altura
f) Subsistema de Propulusion.

Cinco Subsistema Terrestre é

a) Subsistema de Antena
b) O subsistema receber
c) O subsistema transmitir
d) O subsistema de equipamento de comunicação de terra
e) o subsistema de poder.

Podem pensar em um satélite de comunicação de um repetidor de microonda no céu. Ele contém vários receptores-transmissores cada um de escuta alguma porção do espectro, amplifica o sinal de entrada e logo retransmite-o em outra freqüência para evitar a interferência com o sinal de entrada.

Um número de satélites de comunicação, possuídos por ambos os governos e organizações privadas, foram colocados em umas órbitas de artigos de papelaria aproximadamente 22300 milhas acima da superfície da terra. Um satélite de comunicação assegura a maior parte da distância longa comunicações nacionais e internacionais. A vantagem principal de estação de comunicação visível de algum onde em um país. Assim a transmissão e a recepção podem estar entre qualquer dois lugar à toa escolhido.

Um satélite tem muitos receptores-transmissores que assim fornecem capacidade de comunicação enorme com preços que favoravelmente competem com conexões de microonda na terra. A figura seguinte ilustra uma conexão de satélite de comunicação.

Satélite Natural

Também denominado planeta secundário, é um corpo astral que gira em volta de planetas, seguindo estes na sua translação em volta do Sol. O satélite natural da Terra é a Lua.

Há satélites naturais denominados regulares, que se deslocam em órbitas circulares no mesmo sentido que o planeta em torno do qual orbitam e que se supõe terem sido originados da mesma maneira e da mesma forma que o planeta principal.

Os satélites irregulares descrevem órbitas muito excêntricas, girando em sentido contrário ao do seu planeta. Julga-se que a sua origem é diferente da do planeta de que é satélite. O satélite ter-se-ia formado, tendo depois sido capturado pelo planeta.

Os satélites são de tamanho muito diverso, variando o seu diâmetro entre os 16 quilómetros e os 5150 quilómetros de diâmetro de Ganimedes, satélite de Júpiter.

Satélite Artificial

Um satélite artificial é qualquer corpo feito pelo homem e colocado em órbita ao redor da Terra ou de qualquer outro planeta. Hoje em dia, ao contrário do que ocorria no início da história dos satélites artificiais, o termo satélite vem sendo usado praticamente como um sinônimo para "satélite artificial". O termo "satélite artificial" tem sido usado quando se quer distiguí-los dos satélites naturais, como a Lua.
Atualmente estão em órbita, para além dos satélites do Sistema de Posicionamento Global, satélites de comunicações, satélites científicos, satélites militares e uma grande quantidade de lixo espacial, ou seja, não se deve se referir à satélites apenas como um meio de transporte de dados ou apenas um meio de mapear ou espionar o sistema terrestre.
Os satélites de comunicações são satélites que retransmitem sinais entre pontos distantes da Terra. Estes satélites servem para retransmitir dados, sinais de televisão, rádio ou mesmo telefone. Os chamados telefones satélite baseiam-se numa rede Iridium, uma rede de satélites de baixa altitude.
Os satélites científicos são utilizados para observar a Terra ou o espaço ou para realizar experiências em microgravidade. Os satélites de observação da Terra permitem estudar as mudanças climáticas, para estudar os recursos naturais, para observar fenómenos naturais, para o mapeamento de cidades e até para a espionagem (alguns foto-satélites tem o poder de aproximação de 1m de dimensão mas existem especulações de satélites secretos com maior poder de aproximação).
O Espaço é o local ideal para a realização de observações astronómicas já que a luz emitida pelas estrelas não é perturbada pela atmosfera terrestre. Por este motivo é que os cientistas optaram por colocar o telescópio Hubble em órbita junto à outros que utilizam ondas de radar para fazer o mapeamento do espaço.
O espaço é também o local ideal para se realizarem experiências em condições de microgravidade. Estas experiências são realizadas a bordo do módulo orbital do Vaivém Espacial e a bordo da Estação Espacial Internacional.
Não há estatísticas oficiais, mas estima-se que já foram lançados aproximadamente 4.600 satélites, e que apenas cerca de 500 deles continuam em funcionamento. A União Soviética foi o primeiro país a colocar um satélite no espaço, o Sputnik, em 1957.
Em primeira aproximação, o satélite é afetado por uma única força, a força gravitacional exercida no satélite pela Terra. A intensidade desta força determina-se pela Lei da Atração Universal. Por outro lado, e pela 2ª lei de Newton, a intensidade da força é diretamente proporcional à intensidade da aceleração. A aceleração tem a mesma direcção e o mesmo sentido que a força gravitacional.



Experiência pensada de Newton

Um satélite sofre uma determinada aceleração que é independente da sua massa mas depende da altitude a que o satélite se encontra. A trajectória do satélite vai depender da sua aceleração e das suas condições iniciais: a posição inicial e a velocidade inicial.
A experiência pensada de Newton explica porque é que os satélites não caem para a Terra, apesar de serem constantemente puxados pela força gravítica para o centro da Terra.
Newton imaginou um canhão muito poderoso capaz de lançar projécteis a grandes distâncias. Imaginou este canhão colocado a uma altitude elevada. Se a altitude for suficientemente elevada, o canhão está fora da atmosfera terrestre e a resistência do ar é desprezável. Se o canhão disparar um projéctil com uma velocidade baixa, o projéctil perderá altitude até cair na Terra. Mas se a velocidade do projéctil ultrapassar um determinado valor, o projéctil quando cai já vai cair “fora da Terra”. Se a velocidade inicial do projéctil for suficientemente elevada, o projéctil cai continuamente sem nunca atingir a Terra.
Aumentando a velocidade consegue-se que o projéctil percorra cada vez distâncias maiores, até que o projéctil circundará a Terra numa órbita aproximadamente circular. Neste movimento não actua outra força além da força gravítica e o projéctil continuará em órbita em torno da Terra, mas qual a velocidade horizontal de lançamento necessária para colocar um objecto em órbita circular? Para responder a esta questão é necessário estudar um outro movimento - o movimento circular uniforme. Trata-se do movimento de uma partícula com velocidade inicial, actuada por uma força de intensidade constante cuja direcção varia continuamente, sendo, em cada instante perpendicular à velocidade.

Redes VSAT

a) Tipos de rede 

Várias topologias de redes, protocolos e interfaces estão disponíveis para serem implementados em aplicações de comunicação VSAT. Como exemplo podemos citar alguns protocolos como ATM, Frame Relay, IP, X25 e o próprio ISDN. 

Redes VSAT são geralmente do tipo estrela onde existe uma central (HUB) que atua como os contemporâneos hub’s de redes locais (par trançado). Nesta topologia um primeiro terminal VSAT que deseja transmitir para um segundo executa os seguintes passos: 

1)           Transmissão VSAT1 para satélite

2)           Transmissão satélite para HUB

3)           Transmissão HUB para satélite

4)           Transmissão satélite VSAT2

 Abaixo um esquema ilustrativo:

 

Figura 2 – Transmissão Estrela

 No exemplo acima foi mostrada uma transmissão unidirecional, porém como dito anteriormente, a comunicação pode ser realizada bidirecionalmente. Atualmente, a metade das estações VSAT apenas recebe informações. 

O outro tipo de arquitetura, menos usual, é a topologia mesh onde qualquer um dos terminais VSAT se comunica, por intermédio somente do satélite, diretamente com um ou mais terminais. Este tipo de topologia é extremamente útil quando se deseja diminuir o tempo de atraso de uma transmissão, já que há somente um salto entre os dois pontos. 

Os satélites utilizados em ambos os tipos de arquitetura são do tipo geoestacionário. Assim, como o satélite esta a uma altitude de 36.000 km acima do equador, dois terminais VSAT, um do lado do outro no equador e logo abaixo do satélite, levariam 240 ms para uma transmissão na topologia mesh. Normalmente os tempos de transmissão variam de 250 ms até 300 ms, com um valor típico de uso a partir de 270 ms. Obviamente para um sistema VSAT com HUB este tempo duplicaria devido aos dois saltos. Esta é uma importante característica que dificulta a utilização do VSAT em sistemas que necessitem de tempo real, em contrapartida o custo de transmissão independe da distância percorrida entre os pontos. 

No caso das estações VSAT estarem conectando telefones públicos rurais com a rede cabeada (PSTN), o HUB serviria de elo para a conexão. Da mesma forma acontece quando se deseja oferecer internet a estações remotas, cada estação recebendo um IP fixo. 

b) Componentes 

Depois de ver as topologias de rede através de arquitetura típica, veremos  alguns dos componentes da rede. Abaixo a figura 3 que ilustra os componentes a serem explicados. 

O primeiro e mais crítico componente do sistema VSAT é sem dúvida o satélite. Caso haja algum problema nos seus painéis solares ou no controle no seu sistema de geonavegação simplesmente não há comunicação. Como ainda não chegamos a ponto de ter um engenheiro orbitando junto do satélite a 36000 Km de altura, fica difícil a manutenção quando ocorrem problemas Os satélites modernos são compostos de 24 transponders cada um com largura de banda podendo chegar até 110 Mbps. A largura de banda pode ser combinada de diversas formas, desde que o bit rate total permaneça contido no limite do transponder.

Figura 3 – Componentes do sistema VSAT (www.intelsat.com)

Os satélites podem operar em três bandas: C, Ku e Ka e dependendo da banda utilizada teremos diferentes desvantagens. 

Banda	Downlink(GHz)	Uplink(GHZ)	Problemas
C	3.7 – 4.2	5.92 – 6.42	Interferência Terrestre
Ku	11.7 – 12.2	14.0 – 14.5	Chuva
Ka	17.7 – 21.7	27.5 – 30.5	Chuva e custo do equipamento

Tabela 2 – Bandas de VSAT comercial

 A banda C, atualmente com menos uso, foi a primeira a ser explorada comercialmente devido a sua cobertura ser mais ampla. Esta banda apresenta elevada interferência terrestre dificultando principalmente a recepção, já que os links de microondas operam nesta mesma banda. A banda Ku, a mais utilizada atualmente, possui uma desvantagem natural: a chuva. A chuva interfere nas comunicações entre o satélite e as bases terrestres porque o comprimento de onda utilizado não consegue contornar as gotas de chuva acabando por ser absorvido pela mesma. Para suavizar este problema duas técnicas são utilizadas atualmente. A primeira e mais comum é aumento da potência de transmissão tanto do satélite quanto dos terminais. A outra, que só existe em no papel, é a utilização de HUB’s adicionais e distanciados pode fazer que somente parte da rede VSAT seja atingida por temporais (topologia estrela). A banda Ka, além de possuir a interferência da chuva utiliza uma banda de alta faixa de freqüência. Por este motivo, os equipamentos utilizados para esta banda são muito caros e de difícil desenvolvimento já que pequenas capacitâncias parasitas influenciam o circuito severamente. 

 Falando agora de componentes terrestres, um bom começo seria pelas estações VSAT. Denominada por alguns fabricantes como IDU (indoor unit), as estações VSAT podem com somente uma antena agrupar vários tipos de serviço para a transmissão. Podemos ver na  figura 3 que uma única estação pode agrupar serviços como ATM (caixa automático), terminais isolados que são conectados a mainframes, serviço de telefone, rede para PC e vídeo-conferência (considerando as ressalvas sobre o atraso). 

Os tamanhos das antenas das estações estão diretamente ligados a dois fatores. O primeiro é o foco, oferecido pelo satélite que pode ser pontual (spot), hemisférico ou global. Quando mais concentrado, teríamos maior densidade energética para as antenas, necessitando de menores antenas. Além disso, como o ganho da antena é dependente da freqüência, teríamos antenas maiores para menores freqüências. Assim, a banda C utiliza antenas maiores que a banda Ku e Ka. 

Passando agora para o HUB, constata-se  que alguns computadores estão ligados fisicamente a esta unidade. O primeiro deles é o host, com função de fornecer a informação necessária às estações ou conecta-las a uma rede externa. O information center é utilizado para guardar as informações dos clientes podendo ser convertido para uma estação junto ao HUB. E, por fim, NMS (Network Management System) utilizado pelo gerente da rede. Através do NMS pode-se controlar os limites dos canais, o uso, a performance e o tráfego além de executar diagnósticos e relatórios estatísticos. 

c)      Técnicas de Acesso

As técnicas de acesso no sistema VSAT são muitas, variando de fabricante para fabricante. Algumas delas são o Aloha, Slot-Aloha, DAMA, TDMA, FDMA e CDMA, bem conhecidas técnicas de múltiplo acesso. Códigos corretores como o FEC (Forward Error Correction) com taxas de 1/2 ou 3/4 e detectores de erros são freqüentemente usados nas técnicas de acesso tanto para descongestionar o meio (quando corrigidos), quanto para identificar colisões, ambos através de redundância. Como será visto em seguida a técnica de acesso esta intimamente ligada com a aplicação e topologia utilizadas.

Como já explicado, o satélite usa freqüências diferentes para o uplink e o downlink. Assim, utilizando-se o Aloha, quando um dado terminal tem um quadro, ele transmite instantaneamente, mesmo se o canal estiver sendo utilizado. O terminal “ouve” o meio e caso seja ocupado, respeitando o tempo de atraso inerente, assume que a mensagem foi enviada com sucesso. Caso contrário ele aguarda um tempo aleatório para retransmitir o quadro. Alguns sistemas, reconhecem se o quadro foi devidamente transmitido por um ack vindo do HUB. 

O Slotted-Aloha é uma versão melhorada do Aloha simples que tem como objetivo fazer que as colisões se sobrepunham o máximo possível. O método utilizado foi fazer que as transmissões dos quadros só possam ocorrer em períodos determinados. Assim, um quadro não pode interferir com o outro que já esteja na metade de sua transmissão. Os slots são iguais períodos de tempo e este sistema praticamente dobra a eficiência em relação ao anterior. A sincronização se dá através do clock-master do HUB, considerando assim as diferentes distâncias dos terminais. 

O TDMA (Time Division Multiple Access) se caracteriza pela divisão no tempo do transponder. O transponder do satélite tem a divisão no tempo dos canais. O método mais utilizado dentro desta técnica é o TDMA-DA (Demmand Assignment) onde o HUB fica responsável de alocar o slot para cada terminal VSAT de acordo com a transmissão previamente requerida. TDMA é o método mais utilizado nas redes VSAT comerciais. 

O conhecido FDMA (Frequency Division Multiple Access) utiliza diferentes portadoras na transmissão dos diferentes canais possibilitando a transmissão simultânea sem prejuízo por interferência. Assim, obtem-se para cada transponder  a divisão em freqüência dos canais. 

Nas redes VSAT que utilizam CDMA (Code Division Multiple Access), cada terminal recebe um número pseudo-randomico (PN) único utilizado para codificar e decodificar suas transmissões. Vários VSAT podem transmitir simultaneamente na mesma freqüência, sendo separado na recepção pelo HUB. A transmissão do HUB também é codificada da mesma forma, porém um único PN é atribuído ao HUB o que permite a recepção por todos os terminais. O CDMA se caracteriza por ser um método ineficiente de se usar a capacidade do satélite, no entanto tem grande resistência  a interferências externas além de gerar menos interferência que os outros métodos.

E, por fim, será visto o DAMA (Demand Assignement Multiple Access). Quando um terminal VSAT deseja realizar uma transmissão, este terminal faz uma requisição de um slot no tempo ou freqüência para faze-la. A atribuição do slot/freqüência é feita pelo NMS e este somente é liberado após a conclusão da transmissão. Esta técnica de acesso por demanda é a técnica utilizada para os serviços de telefonia para a garantia de uma qualidade mínima. Atualmente a EUTELSAT já disponibiliza contratos onde o pagamento é proporcional somente ao uso. 

Observa-se que em vários métodos de acesso, o HUB se faz mais necessário que apenas gerenciamento da rede, justificando a utilização de topologia estrela. Freqüentemente os fabricantes de VSAT ressaltam que terminais em mesh necessitam de antenas maiores e mais recursos. 

d) Modulação 

A comunicação utilizada nos em qualquer sistema digital, é escolhida levando-se em consideração o canal utilizado. Assim acontece  com os satélites em geral, que utlizam o PSK (suas diversas variates) em detrimento ASK e FSK. A escolha do PSK (Phase Shifting Keying) é óbvia para a rede VSAT. Qualquer modulação que afete a amplitude, como o QAM e o ASK, é extremamente inadequada, já que o canal é extremamente não linear e sua atenuação é variável com tempo. Além disso, para uma mesma energia empregada na transmissão dos símbolos, pode-se verificar matematicamente [3] que o sistema PSK possui o menor BER(Bit Error Rate) quando comparado ao sistema FSK. Abaixo na figura 4 uma tabela comparativa. 

Figura 4 – BER comparativo PSK e FSK  (Referência 3 pg 418)

 Quanto ao número de símbolos e as variantes da modulação nenhuma informação das vantagens e desvantagens é revelada pelos fabricantes dos equipamentos, porém as modulações mais desenvolvidas são DPSK (Differntial Phase-Shift Keying), BPSK (Binary Phase-Shift Keying), QPSK (Quadriphase-Shift Keying) e MSK (Minimum Shift Keying). Dentre elas se destaca a QPSK, por conseguir transmitir dois bits por símbolo, o que faria os símbolos terem fases deslocadas de p/2.

VSAT - Definição

A rede de comunicações VSAT (Very Small Aperture Terminal) foi idealizada no final dos anos 80 com o objetivo inicial de integrar unidades separadas por longas distâncias, tem sido utilizada comercialmente há dez anos. Seu nome refere-se a qualquer terminal fixo usado para prover comunicações interativas, ou recepção apenas, sempre passando pelo satélite qualquer transmissão terrestre até o receptor. 

Tais redes são compostas de três componentes básicos: estações remotas (terminais VSAT), uma estação master opcional (HUB) e obviamente o satélite de retransmissão. Como será visto mais adiante, o HUB gerencia a rede num determinado tipo topologia e tem a finalidade de controlar o acesso pelo provedor do serviço. 

De um a milhares todos os terminais VSAT de um mesmo sistema utilizam o mesmo transponder (conjunto receptor, conversor de freqüência e transmissor) e compartilham a mesma banda. 

O sistema VSAT se diferencia por usar antenas de pequeno diâmetro, menores que 2.5 m para terminais e menores que 4 m para HUB’s e ter baixo custo. Abaixo, na figura 1, o esquema das partes de um terminal VSAT.

 

 Figura 1 – Terminal VSAT (www.intelsat.com) 

Obviamente que os sinais recebidos do satélite são fracos e precisam ser amplificados sem a introdução de ruídos, que é executado pelo módulo LNA (Low Noise Amplifier). A amplificação e conversão para a freqüência adequada ao uplink e realizada pelo módulo Power Amplifier/Frequency Converter. Além desses dois blocos existe ainda o bloco Base Band Controller que limita o uplink e o downlink além do modulador e demodulador que será visto mais à frente.