1 Universidade Federal do Pará Instituto de Tecnologia Faculdade de Engenharia da Computação Redes Móveis Sistemas de Comunicação Via Satélite.

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1 1 Universidade Federal do Pará Instituto de Tecnologia Faculdade de Engenharia da Computação Redes Móveis Sistemas de Comunicação Via Satélite

2 2  Evolução dos Sistemas via Satélite  1945 - Arthur C. Clarke publica um trabalho intitulado “Extra Terrestrial Relays”  1957- Primeiro satélite SPUTNIK  1960 - Primeiro satélite de comunicação por reflexão ECHO  1963 - Primeiro satélite geo-estacionário SYNCOM  1965 - Primeiro satélite geo-estacionário comercial “Early Bird” (INTELSAT I): 240 canais duplex para telefonia ou 1 canal de TV, tempo de vida (autonomia) de 1.5 anos  1976 - Três satélites MARISAT para comunicação marítima  1982 - Primeiro sistema de telefonia móvel via-satélite INMARSAT-A  1988 - Primeiro sistema via-satélite para telefones móveis e comunicações de dados INMARSAT-C  1993 - Primeiro sistema de telefonia digital via-satélite  1998 - Sistemas globais via-satélite global para pequenos telefones móveis Fonte: Jochen Schiller, “Mobile Communications”, 2000, p-394. Tradução: André Mendes Cavalcante, http://www.deec.ufpa.br/lea/andre - amc@ufpa.br Redes Móveis Sistemas de Comunicação via Satélite

3 3  Aplicações  Tradicionais  satélites de previsão de tempo  satélites de radiodifusão (TV e Rádio)  satélites militares  satélites para navegação e localização (ex: GPS)  Telecomunicação  conexões de telefonia global  backbone para redes globais  conexões para comunicação em áreas remotas ou subdesenvolvidas  Comunicação móvel global  sistema de satélites para estender sistemas de telefonia celular (Ex: GSM ou AMPS) Fonte: Jochen Schiller, “Mobile Communications”, 2000, p-394. Tradução: André Mendes Cavalcante, http://www.deec.ufpa.br/lea/andre - amc@ufpa.br Redes Móveis Sistemas de Comunicação via Satélite

4 4 Sistemas de Satélites Clássicos Estação base ou gateway Enlace Inter-Satélites (ISL) Enlace do Usuário Móvel (MUL) Enlace do Gateway (GWL) footprint Pequenas células (spotbeams) Dados do Usuário PSTNISDN GSM GWL MUL PSTN: Public Switched Telephone Network Fonte: Jochen Schiller, “Mobile Communications”, 2000, p-394. Tradução: André Mendes Cavalcante, http://www.deec.ufpa.br/lea/andre - amc@ufpa.br Redes Móveis Sistemas de Comunicação via Satélite

5 5  Base Teórica  Satélites em órbitas circulares  Força atrativa F g = m g (R/r)²  Força centrifuga F c = m r  ²  m: massa do satélite  R: raio da Terra (R = 6370 km)  r: distância do centro da Terra  g: aceleração da gravidade (g = 9.81 m/s²)   : velocidade angular (  = 2  f, f: freqüência de rotação)  Órbita Estável  F g = F c Fonte: Jochen Schiller, “Mobile Communications”, 2000, p-394. Tradução: André Mendes Cavalcante, http://www.deec.ufpa.br/lea/andre - amc@ufpa.br Redes Móveis Sistemas de Comunicação via Satélite

6 6 10203040 x10 6 m 24 20 16 12 8 4 radius Período do satélite [h] velocidade [ x1000 km/h] distância síncrona 35,786 km Fonte: Jochen Schiller, “Mobile Communications”, 2000, p-394. Tradução: André Mendes Cavalcante, http://www.deec.ufpa.br/lea/andre - amc@ufpa.br Redes Móveis Sistemas de Comunicação via Satélite

7 7  Base Teórica  Órbitas elípticas ou circulares  O tempo para completar rotação depende da distância satélite-Terra  Inclinação: ângulo entre a órbita e o equador  Elevação: ângulo entre o satélite e o horizonte  Necessidade de LOS (Line of Sight – Visada Direta) para o satélite para conexão  Necessidade de alta elevação, menos absorção devido por exemplo à prédios  Uplink: conexão estação base - satélite  Downlink: conexão satélite – estação base  Usa-se geralmente freqüências separadas para o uplink e downlink  transponder usado para envio/recepção e deslocamento de freqüências  transponder transparente: apenas deslocador de freqüências  transponder regenerativo: adicionalmente com regeneração de sinal Fonte: Jochen Schiller, “Mobile Communications”, 2000, p-394. Tradução: André Mendes Cavalcante, http://www.deec.ufpa.br/lea/andre - amc@ufpa.br Redes Móveis Sistemas de Comunicação via Satélite

8 8 Inclinação Inclinação   Órbita do satélite Perigeu Plano de órbita do satélite Plano equatorial Fonte: Jochen Schiller, “Mobile Communications”, 2000, p-394. Tradução: André Mendes Cavalcante, http://www.deec.ufpa.br/lea/andre - amc@ufpa.br Redes Móveis Sistemas de Comunicação via Satélite

9 9 Elevação Elevação: ângulo  entre o centro do feixe do satélite e ao plano tangencial à superfície terrestre  Elevação mínima: elevação necessária pelo menos para se comunicar com o satélite footprint Fonte: Jochen Schiller, “Mobile Communications”, 2000, p-394. Tradução: André Mendes Cavalcante, http://www.deec.ufpa.br/lea/andre - amc@ufpa.br Redes Móveis Sistemas de Comunicação via Satélite

10 10  Balanço de Potência  A atenuação ou potência recebida são determinadas por parâmetros:  Potência transmitida  Ganho da antena transmissora  Distância entre o transmissor e o receptor  Ganho da antena receptora  Problemas  Variação da intensidade do sinal recebido devido a propagação em multipercurso  Interrupções devido ao sombreamento do sinal (sem LOS)  Soluções possíveis  Adicionar margens para desvanecimentos para eliminar variações na intensidade do sinal  Diversidade de satélites (uso de diversos satélites visíveis no mesmo instante) colabora para o uso de uma menor potência de transmissão L: Perda f: freqüência da portadora r: distância c: velocidade da luz Fonte: Jochen Schiller, “Mobile Communications”, 2000, p-394. Tradução: André Mendes Cavalcante, http://www.deec.ufpa.br/lea/andre - amc@ufpa.br Redes Móveis Sistemas de Comunicação via Satélite

11 11 Atenuação Atmosférica Exemplo: sistemas de satélite em 4-6 GHz Elevação do satélite 5°10°20°30°40°50° Atenuação do sinal em % 10 20 30 40 50 Absorção por chuva Absorção por nevoeiro Absorção atmosférica  Fonte: Jochen Schiller, “Mobile Communications”, 2000, p-394. Tradução: André Mendes Cavalcante, http://www.deec.ufpa.br/lea/andre - amc@ufpa.br Redes Móveis Sistemas de Comunicação via Satélite

12 12  Órbitas  Quatro tipos diferentes de órbitas de satélites podem ser identificados dependendo da forma e do diâmetro das mesmas:  GEO (Geostationary orbit): percorrem órbitas circulares de aproximadamente 36000 km acima da superfície terrestre  LEO (Low Earth Orbit): órbitas circulares entre 500 e 1500 km  MEO (Medium Earth Orbit) ou ICO (Intermediate Circular Orbit): órbitas circulares entre 6000 e 20000 km  HEO (Highly Elliptical Orbit): percorrem órbitas elípticas Fonte: Jochen Schiller, “Mobile Communications”, 2000, p-394. Tradução: André Mendes Cavalcante, http://www.deec.ufpa.br/lea/andre - amc@ufpa.br Redes Móveis Sistemas de Comunicação via Satélite

13 13 Terra km 35768 10000 1000 LEO (Globalstar, Irdium) HEO Cinturões de Van Allen interno e externo MEO (ICO) GEO (Inmarsat) Cinturões de Van-Allen (Partículas ionizadas): 2000 - 6000 km e 15000 - 30000 km acima da superfície terrestre (impróprias para projeto de órbitas) Fonte: Jochen Schiller, “Mobile Communications”, 2000, p-394. Tradução: André Mendes Cavalcante, http://www.deec.ufpa.br/lea/andre - amc@ufpa.br Redes Móveis Sistemas de Comunicação via Satélite

14 14  Satélites Geoestacionários (GEO)  Órbitas de 35.786 km distantes da superfície terrestre, órbitas no plano equatorial (inclinação 0°)  rotação completa em exatamente um dia (período de 24h), estes satélites estão sincronizados com a rotação da Terra  As posições das antenas são fixas, não é necessário nenhum ajuste  Geralmente apresentam um grande footprint (até 34% da superfície terrestre!), entretanto apresentam dificuldades para reuso de freqüências  baixo ângulo de elevação em áreas com latitude acima de 60° (regiões mais ao Norte e ao Sul da Terra) devido ao posicionamento fixo acima do equador  É necessário alta potência de transmissão (aprox. 10 W)  Alta latência devido a grande distância (aprox. 275 ms)  Não são adequados para cobertura global para pequenos telefones móveis e transmissão de dados, geralmente são usados para transmissão de Rádio e TV Fonte: Jochen Schiller, “Mobile Communications”, 2000, p-394. Tradução: André Mendes Cavalcante, http://www.deec.ufpa.br/lea/andre - amc@ufpa.br Redes Móveis Sistemas de Comunicação via Satélite

15 15  Satélites em Baixa Altitude (Sistemas LEO)  Órbitas entre 500 e 1500 km acima da superfície  Visibilidade de um satélite (aprox. 10 - 40 minutos)  Possibilidade de cobertura de rádio global  Latência comparável com com conexões terrestres de longa distância (aprox. 5 - 10 ms)  Pequenos footprints, melhor reuso de freqüências  Necessidade de handover de um satélite para outro  Necessidade de muitos satélites para cobertura global (50 a 200 satélites ou mais)  Sistema muito complexo devido ao movimento dos satélites  Menor tempo de vida (5 a 8 anos – devido ao atrito com partículas)  Exemplos:  Iridium (incício 1998, 66 satélites)  Falência em 2000, negociado com US DoD (Departamento de Defesa dos EUA - Pentágono)  Globalstar (início 1999, 48 satélites)  Poucos assinantes (2001: 44000), baixo período de stand-by para móveis Fonte: Jochen Schiller, “Mobile Communications”, 2000, p-394. Tradução: André Mendes Cavalcante, http://www.deec.ufpa.br/lea/andre - amc@ufpa.br Redes Móveis Sistemas de Comunicação via Satélite

16 16  Satélites em Média Órbita (Sistemas MEO)  Órbitas entre 5000 e 12000 km acima da superfície da Terra  Comparação com sistemas LEO:  Movimento de satélites mais lento  Menor número de satélites para cobertura global (aprox. 12 satélites)  Projeto do sistemas mais simples  Necessidade de poucos handovers  Maior latência, (aprox. 70 - 80 ms)  Necessidade de maior potência de transmissão  Necessidade de antenas especiais para pequenos footprints Fonte: Jochen Schiller, “Mobile Communications”, 2000, p-394. Tradução: André Mendes Cavalcante, http://www.deec.ufpa.br/lea/andre - amc@ufpa.br Redes Móveis Sistemas de Comunicação via Satélite

17 17  Roteamento  Uma solução: Enlaces Inter-Satélites (ISL)  Necessidade de um número reduzido de gateways  Conexões diretas ou pacotes de dados dentro da rede de satélites  Necessidade de apenas um uplink e um downlink por direção para a conexão de dois telefones móveis conectados à satélites diferentes  Problemas:  Focalização mais complexa das antenas entre satélites  Alta complexidade do sistema devido ao movimento dos roteadores maior consumo de combustível  Então, menor autonomia (tempo de vida)  Iridium e Teledesic planejados com ISL  Outros sistemas usam gateways e adicionalmente redes terrestres Fonte: Jochen Schiller, “Mobile Communications”, 2000, p-394. Tradução: André Mendes Cavalcante, http://www.deec.ufpa.br/lea/andre - amc@ufpa.br Redes Móveis Sistemas de Comunicação via Satélite

18 18  Localização de Estações Móveis (Ponto de Arredondamento - GPS)  Mecanismos similares ao do GSM  Os Gateways mantêm registradores com dados dos usuários  HLR (Home Location Register): dados estáticos do usuário  VLR (Visitor Location Register): (última conhecida) localização da estação móvel  SUMR (Satellite User Mapping Register):  designação de satélite para uma estação móvel  posições de todos os satélites  Registro de estações móveis  Localização da estação móvel via a posição do satélite  Requisição de dados do usuário do HLR  Atualização do VLR e SUMR  Chamando uma estação móvel  Localização da estação usando HLR/VLR, similar ao feito no GSM  Através do SUMR, o satélite apropriado para comunicação é encontrado e estabelecimento da conexão (connection setup) é realizada Fonte: Jochen Schiller, “Mobile Communications”, 2000, p-394. Tradução: André Mendes Cavalcante, http://www.deec.ufpa.br/lea/andre - amc@ufpa.br Redes Móveis Sistemas de Comunicação via Satélite

19 19  Handover  Existem diversas situações adicionais para handover em sistemas de satélites se comparados com redes de telefonia celular terrestre, que são causadas pelo movimento dos satélites  Handover no mesmo satélite (Intra-satellites)  Handover de um spotbeam (pequenas células) para outro  Estação móvel ainda no footprint do satélite, mas em outra célula  Handover entre satélites  Handover de um satélite para outro satélite  Estação móvel deixa o footprint de um satélite  Handover entre Gateway  Handover de um gateway para outro  Estação móvel ainda no footprint de um satélite, mas o gateway deixa o footprint do mesmo  Handover entre sistemas (Inter-system)  Handover da rede de satélites para uma rede celular terrestre  Estação móvel pode usar uma rede terrestre por oferecer um serviço mais barato, uma menor latência, etc.  Handover contínuo entre satélites e sistemas terrestres ainda não é possível Fonte: Jochen Schiller, “Mobile Communications”, 2000, p-394. Tradução: André Mendes Cavalcante, http://www.deec.ufpa.br/lea/andre - amc@ufpa.br Redes Móveis Sistemas de Comunicação via Satélite

20 20 Comparação entre Sistemas LEO/MEO Fonte: Jochen Schiller, “Mobile Communications”, 2000, p-394. Tradução: André Mendes Cavalcante, http://www.deec.ufpa.br/lea/andre - amc@ufpa.br Redes Móveis Sistemas de Comunicação via Satélite