Múltiplo acesso para comunicações por satélite

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Múltiplo acesso para comunicações por
satélite
Prof. Rodrigo Martins de Souza
Descrição
Principais conceitos e aplicações de múltiplo acesso à rede de
comunicações por satélite e exemplos de sua aplicação na engenharia.
Propósito
Apresentar as principais técnicas de múltiplo acesso usadas nas redes
de comunicação por satélite é importante porque o estudo dessas
técnicas permite o compartilhamento do espectro de rádio e ganho de
desempenho, tornando-se ferramentas imprescindíveis ao profissional.
Preparação
Antes de iniciar o estudo deste conteúdo, tenha em mãos uma
calculadora científica ou use a calculadora de seu
smartphone/computador.
Objetivos
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Módulo 1
Técnicas de múltiplo acesso
Reconhecer os conceitos de acesso múltiplo ao satélite.
Módulo 2
Múltiplo acesso por divisão de
frequência (FDMA)
Reconhecer os conceitos, elementos e arquitetura de um sistema
FDMA.
Módulo 3
Múltiplo acesso por divisão de
tempo (TDMA)
Reconhecer os conceitos, elementos e arquitetura de um sistema
TDMA.
Módulo 4
Múltiplo acesso por divisão de
código (CDMA) e espacial (SDMA)
Reconhecer os conceitos, elementos e arquitetura de um sistema
SDMA e CDMA.

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Introdução
Olá! Antes de começarmos, assista ao vídeo e entenda o que é o
múltiplo acesso para comunicações por satélite.
1 - Técnicas de múltiplo acesso
Ao �nal deste módulo, você será capaz de reconhecer os conceitos de
acesso múltiplo ao satélite.
Introdução às técnicas de
múltiplo acesso
Neste vídeo, apresentaremos um panorama geral sobre as técnicas de
múltiplo acesso. Além disso, ficará por dentro dos tipos de transmissão
de dados em camadas e os modos de atribuição do transponder.
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Visão geral
Neste vídeo, abordaremos os aspectos gerais de comunicação via
satélite e os tipos de sistemas de transmissão existentes: FDMA, TDMA,
CDMA e SDMA.
Um canal de transponder a bordo de um satélite pode ser totalmente
utilizado por uma única transmissão de uma estação terrena. Isso é
chamado de modo de operação de acesso único. Também é possível, e
mais comum, que um transponder seja utilizado por várias portadoras.
Estes podem originar-se de um número de estações terrenas
geograficamente separadas, e cada estação terrena pode transmitir uma
ou mais portadoras. Esse modo de operação é denominado acesso
múltiplo.
O conceito básico de acesso múltiplo é permitir que as estações
terrestres transmitam para o mesmo satélite sem interferir umas nas
outras. As portadoras de RF (radiofrequência) podem ser mantidas
separadas em frequência, tempo, espaço e código, como podemos ver a
seguir:
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Acesso múltiplo por divisão de
frequência (FDMA)
Acesso múltiplo por divisão de
tempo (TDMA)
Acesso múltiplo por divisão de
código (CDMA)
Acesso múltiplo por divisão
espacial (SDMA)
Veremos a seguir o funcionamento de cada tipo de acesso ao satélite:
Acesso múltiplo por divisão de frequência (FDMA) 
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Diferentes estações terrestres são capazes de acessar a largura
de banda total disponível no(s) transponder(es) do satélite em
virtude de suas diferentes frequências portadoras, evitando
assim a interferência entre os sinais adjacentes. É importante
nesse momento entender que o termo não deve ser confundido
com multiplexação por divisão de frequência (FDM), que é o
processo de agrupar vários sinais de banda base, em um único
sinal, para que possa ser transmitido em um canal de
comunicação sem que os sinais múltiplos de banda base
interfiram entre si. Aqui, múltiplos sinais de banda base modulam
diferentes frequências portadoras chamadas frequências
subportadoras, e o sinal multiplexado então modula uma
portadora comum de frequência relativamente mais alta, que
então se torna o sinal a ser transmitido da estação terrestre. Da
mesma forma, outras estações também podem ter sinais
multiplexados por divisão de frequência semelhantes com uma
frequência portadora final diferente. Esses sinais multiplexados,
em virtude de suas diferentes portadoras finais de frequências,
são capazes de acessar o satélite simultaneamente.
Diferentes estações terrestres no footprint (área de cobertura) do
satélite fazem uso do transponder usando uma única portadora
com base na divisão de tempo. Novamente, não deve ser
confundido com multiplexação por divisão de tempo (TDM), que
é a técnica usada em determinada estação terrestre para
transmitir simultaneamente versões digitalizadas de múltiplos
sinais de banda base em um canal de comunicação comum em
virtude de sua separação na escala de tempo. O sinal
multiplexado composto no tempo modula uma portadora de alta
frequência usando qualquer uma das técnicas de modulação de
portadora digital. Sinais multiplexados no tempo, de outras
estações, com a mesma frequência portadora, são então
capazes de acessar o satélite, permitindo que cada estação
transmita durante seu intervalo de tempo alocado.
Acesso múltiplo por divisão de tempo (TDMA) 
Acesso múltiplo por divisão de código (CDMA) 
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Toda a largura de banda do transponder é usada
simultaneamente por várias estações terrestres durante seu
acesso. Cada transmissor espalha seu sinal por toda a largura de
banda, o que o torna mais amplo do que é exigido pelo sinal
original. Para consegui-lo, uma das maneiras utilizadas propõe o
produto entre o sinal de informação e uma sequência de bits
pseudoaleatória. Dessa forma, a interferência é evitada, pois
cada transmissor usa uma sequência de código exclusiva. As
estações receptoras recuperam as informações desejadas
usando um decodificador correspondente que funciona na
mesma sequência de código exclusivo usada durante a
transmissão.
Diferentes polarizações de feixe de antena para evitar
interferência entre múltiplas transmissões. Feixes com
polarizações horizontais (ex.: HH) e verticais (ex.: VV) ou
circulares à direita (RHCP) e circulares à esquerda (LHCP)
podem ser usados para essa finalidade. A técnica SDMA a bordo
de uma plataforma de satélite para cobrir a mesma área da
superfície da Terra também poderá ser utilizada, porém com
feixes de diferentes polarizações permitindo a reutilização de
frequência. No enlace geral via satélite, o SDMA geralmente é
obtido em conjunto com outros tipos de técnicas de acesso
múltiplo, como FDMA, TDMA e CDMA.
Transmissão de dados em
camadas
A troca de informações entre origem e destino em uma rede de
comunicações envolve muitas interações que vão desde a geração do
sinal elétrico (informação) até a exibição da informação para o usuário
final. A fim de facilitar o projeto, é útil identificar e agrupar tarefas de
natureza semelhante e esclarecer as interações entre os elementos em
uma arquitetura bem estruturada. Surge assim o modelo de referência
OSI (Open System Interconnection), dividido em camadas, com
Acesso múltiplo por divisão espacial (SDMA) 
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conjuntos de regras (chamados de protocolos) que definem a troca de
informaçõesentre as camadas.
Um modelo de referência, tal como mencionado, fornece os papéis
dedicados a cada grupo, pertencente a uma camada, de modo a definir
as interfaces necessárias com as camadas vizinhas. Confira na imagem
a seguir o esquema do modelo:
Modelos de referência de transmissão de dados em camadas.
Uma camada é projetada para oferecer determinados serviços às
camadas acima, protegendo essas camadas dos detalhes de como os
serviços são realmente implementados. Cada camada possui uma
interface com operações primitivas (tipos de dados, formas de acesso)
que são utilizadas para acessar os serviços oferecidos. As entidades
são o elemento ativo em cada camada, como terminais de usuário,
switches e roteadores. Entidades pares são as entidades na camada
capazes de se comunicar com os mesmos protocolos.
Para elucidar o comportamento das camadas apresentadas na imagem,
vamos a uma breve descrição delas, com base em Maral (2009).
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 Física
Especificará as interfaces elétricas e o meio físico
de transmissão. Em uma rede de satélites, a
camada 1 consiste em técnicas de modulação e
codificação de canal que permitirão que o fluxo de
bits seja transmitido em formatos específicos e
bandas de frequência alocadas. Os links de rádio
atuam como o meio físico de transmissão.
 Enlace
Fornecerá uma linha, que parecerá livre de erros de
transmissão não detectados, para camada de rede.
Uma subcamada especial chamada Medium Access
Control (MAC), lida com o compartilhamento do
recurso físico entre os terminais de comunicação,
como acesso múltiplo (FDMA, TDMA, CDMA etc.).
 Rede
Roteará os pacotes da origem ao destino. As
funções incluem endereçamento de rede, controle
de congestionamento, contabilidade, desmontagem
e remontagem, lidando com tecnologias e
protocolos de rede heterogêneas.
 Transporte
Fornecerá um serviço de entrega de dados
confiável (sem erros) para processos que utilizam
os dados transmitidos em camadas superiores. É a
camada mais alta dos serviços associados ao
provedor de serviços de comunicação, garantindo
entrega ordenada, controle de erros, controle de
fluxo e controle de congestionamento.
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Modos de atribuição do
transponder
Neste vídeo, você compreenderá a transmissão de dados em camadas.
Além disso, ficará por dentro dos modos de atribuição do transponder.
 Sessão
Fornecerá os meios para que entidades de
apresentação cooperativas organizem e
sincronizem seus diálogos e gerenciem a troca de
dados.
 Apresentação
Está preocupada com a transformação de dados,
formatação de dados e sintaxe de dados.
 Aplicação
É camada mais alta da arquitetura OSI. Ela fornece
serviços para processos de aplicativos.
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Além das técnicas de acesso múltiplo descritas, também existem certos
modos de atribuição de transponder. Os comumente usados incluem:
Acesso múltiplo pré-atribuído (PAMA)
Neste acesso, o transponder é atribuído permanentemente a um
usuário, por toda a vida útil do satélite ou por longos períodos. A pré-
atribuição pode ser de determinada banda de frequência, faixa de tempo
ou código. Quando usado com pouca frequência, uma configuração de
link com canais pré-atribuídos não é apenas dispendiosa para o usuário,
mas a utilização do link também não é eficiente.
Acesso múltiplo atribuído por demanda
(DAMA)
Este acesso permite que vários usuários compartilhem um link comum,
no qual cada usuário só precisará fazer uma solicitação à estação de
controle, quando for necessário que o link seja usado. A ligação do
canal só será realizada a pedido, e uma frequência será atribuída a partir
das disponíveis dentro da largura de banda do transponder. Ainda, o
acesso múltiplo por demanda é adotado por FDMA e TDMA, conhecidos
como DA-FDMA e DA-TDMA, respectivamente. Durante o processo de
controle, todos os sites remotos recebem a informação do slot a ser
utilizado pelos respectivos sites por meio do controle de outlink. A
estação de controle transmite essa mensagem para todos os sites
periodicamente. Quando o circuito não está mais em uso, os canais são
liberados para o compartilhador central para que possa ser atribuído a
outros usuários. Os mecanismos de controle no DAMA podem ser
centralizados ou distribuídos.
Acesso múltiplo aleatório (RMA)
Neste acesso, a estação de controle tem a responsabilidade de
monitorar chamadas e estabelecer uma chamada entre duas estações
de tráfego. A unidade de controle mestre primeiro detecta a chamada
inicial da estação de tráfego e, em seguida, localiza a estação de destino
para a qual a chamada é direcionada. A disponibilidade de canais é
determinada no satélite ou nas duas estações. A unidade de controle
atribui um par de canais e permite que as duas estações acessem uma
à outra por meio do satélite. Após a conclusão da chamada, a estação
de controle mestre libera o par de canais para o compartilhador de
satélites para que estes possam ser utilizados para o novo chamador
sob demanda. Nesse tipo de sistema, a rede depende exclusivamente
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da estação de controle central. O sistema é menos eficiente para alta
demanda de tráfego, como pode ser conferido no esquema a seguir:
Observe a imagem a seguir:
Sistema centralizado.
No arranjo de controle distribuído DAMA, não existe estação de controle
mestre. Cada estação de tráfego possui um banco de dados do status
dos canais e seleciona o canal disponível de acordo com sua
necessidade. É um sistema bastante confiável. A falha de uma estação
não perturba a operação da outra estação.
No caso de acesso aleatório múltiplo (RMA), o acesso ao link ou ao
transponder é feito por contenção. Um usuário transmite as mensagens
sem saber o status das mensagens de outros usuários. Devido à
natureza aleatória das transmissões, os dados de vários usuários
podem colidir. Caso ocorra uma colisão, ela é detectada e os dados são
retransmitidos. A retransmissão é realizada com atrasos de tempo
aleatórios e, às vezes, pode ter que ser feita várias vezes.
ALOHA (que significa “olá”) é um dos exemplos de implementação de
RMA. Ele precisa de algum controle adaptativo do esquema de
retransmissão. ALOHA segue a estratégia explicada. ALOHA é um
sistema de acesso arbitrário em uma rede de comunicação
compartilhada. Os dados são enviados, se necessário, sem verificar se o
canal está ocupado. Se a mensagem colidir, a retransmissão é feita
posteriormente. A versão aprimorada do ALOHA é o ALOHA com slot.
Nesse caso, os dados são enviados em time slot discreto no início do
time slot, reduzindo a probabilidade de colisão. O throughput (taxa de
transferência) é ALOHA de 18,4%, enquanto o slotted ALOHA tem 60% de
throughput.
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Técnicas de acesso
Neste vídeo, abordaremos as técnicas de acesso, considerando o
acesso a determinado canal de satélite e acesso múltiplo ao canal
satélite.
Em termos de acesso múltiplo, há dois aspectos a serem considerados:
acesso múltiplo a determinado canal repetidor e acesso múltiplo a um
repetidor de satélite.
Acesso a determinado canal de satélite (ou
transponder)
Cada canal repetidor de satélite (transponder) amplifica cada portadora
cujo espectro cai dentro de sua banda passante no momento em que o
canal está em um estado operacional. O recurso oferecido por cada
canal pode assim ser representado na forma de um retângulono plano
tempo-frequência. Esse retângulo representa a largura de banda do
canal e sua duração de operação. Na ausência de precauções especiais,
os transportadores ocupariam esse retângulo simultaneamente e
interfeririam mutuamente. Para evitar essa interferência, é necessário
que os receptores sejam capazes de discriminar entre as portadoras
recebidas. Essa discriminação pode ser alcançada:
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Acesso múltiplo por divisão de
frequência
Em função da localização das energias portadoras (Fn) no
domínio da frequência. Se cada um dos espectros das
portadoras ocupar uma sub-banda diferente, o receptor pode
discriminar entre as portadoras por filtragem.
Acesso múltiplo por divisão de tempo
Em função da localização temporal das energias portadoras.
Várias portadoras recebidas sequencialmente pelo receptor
podem ser discriminadas por espaço temporal, mesmo que
ocupem a mesma banda de frequência.
Acesso múltiplo por divisão de código
Pela adição de uma “assinatura” conhecida do destinatário e
específica de cada transportador. Isso garante a identificação
da portadora mesmo quando todas as portadoras ocupam a
mesma banda de frequência simultaneamente. A assinatura é
geralmente realizada por meio de códigos pseudoaleatórios
(chip), daí o acesso múltiplo por divisão de código. A utilização
de tais códigos tem o efeito de ampliar o espectro da portadora
em relação ao que ela teria se fosse modulada apenas pela
informação útil.
Acesso múltiplo ao canal satélite
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O acesso múltiplo a determinado canal repetidor (transponder), caso
anterior, implica acesso múltiplo prévio ao repetidor de satélite. De outro
modo, o acesso a um repetidor de satélite é obtido em função da
frequência e polarização do portador. Para cada portadora com uma
dada polarização e frequência, é obrigatório o acesso FDMA ao
repetidor juntamente com o acesso FDMA, TDMA ou CDMA a cada
canal. As combinações correspondentes da Figura 4 podem, portanto,
ser consideradas representativas do acesso múltiplo a um repetidor de
satélite. Em todos os casos, a ocupação espectral de uma portadora
não deve exceder a largura de banda do canal.
Falta pouco para atingir seus objetivos.
Vamos praticar alguns conceitos?
Questão 1
Sobre as técnicas de acesso múltiplo Time Division Multiple Access
(TDMA), Frequency Division Multiple Access (FDMA), Code Division
Multiple Access (CDMA) e Space domain multiple access (SDMA) no
contexto das comunicações via satélite, é correto afirmar que
A
uma das limitações do FDMA é o atraso de tempo
para acesso a uma estação.
B
em um quadro TDMA, as janelas de tempo
associadas aos pacotes de dados nunca variam seu
tamanho.
C
a técnica FDMA permite que diferentes estações
terrestres sejam capazes, em conjunto, de acessar a
largura de banda total disponível no(s)
transponder(es) do satélite.
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Parabéns! A alternativa C está correta.
Em FDMA, a largura de banda total disponível no(s) transponder(es)
do satélite pode ser acessada por estações terrestres diferentes,
em virtude de suas diferentes frequências portadoras, evitando a
interferência entre os sinais adjacentes.
Questão 2
O modelo de referência OSI desenvolvido pela International
Standards Organization (ISO) possui sete camadas. A camada que
fornecerá uma linha, que parecerá livre de erros de transmissão,
para a camada de rede é a camada de
D
em CDMA, o espalhamento espectral é obtido por
meio da multiplicação de um sinal binário, contendo
os dados originais, por determinado trem de bits
(código), que sempre será o mesmo.
E
em SDMA, usa separação espacial em que as
mesmas polarizações de uma antena podem ser
usadas para evitar interferência entre múltiplas
transmissões.
A sessão.
B enlace.
C física.
D rede.
E apresentação.
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Parabéns! A alternativa B está correta.
A camada de enlace acrescentará confiabilidade à camada física
adicionando mecanismos de detecção e retransmissão de frames
corrompidos, duplicados ou perdidos, tornando, assim, uma
camada que parecerá livre de erros de transmissão para a camada
de rede.
2 - Múltiplo acesso por divisão de frequência
(FDMA)
Ao �nal deste módulo, você será capaz de reconhecer os conceitos,
elementos e arquitetura de um sistema FDMA.
Conceitos, elementos e
arquitetura de um sistema
FDMA
Neste vídeo, faremos uma abordagem geral sobre os conceitos e
elementos do sistema FDMA. Além disso, ficará por dentro das
interferências de canais adjacentes e intermodulação.
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Visão geral
Neste vídeo, você compreenderá capacidade de acesso múltiplo FDMA.
Além disso, ficará por dentro do FDMA atribuído por demanda e pré-
atribuído.
O esquema FDMA permite o particionamento de um canal de
comunicação com largura de banda limitada, em um conjunto de canais
independentes, no qual cada um utilizará sua porção permanentemente
atribuída do espectro de frequência total. Cada slot (parcela) de
frequência contém um par exclusivo de frequências necessárias para
enviar seus sinais. Um sistema FDMA básico é mostrado na imagem a
seguir, onde cada estação terrena de uplink, ETi, na rede, transmite uma
ou mais portadoras em diferentes frequências portadoras, Fi, para o
transponder do satélite.
Observe, que cada portadora portadora recebe uma banda de frequência
com uma pequena banda de guarda para evitar sobreposição de sinais
entre portadoras adjacentes. O número de subdivisões permitidas, que,
por sua vez, determina a capacidade de transmissão, depende dos
canais e da largura de banda do transponder do satélite.
Acesso ao canal FDMA.
Capacidade de acesso múltiplo FDMA
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A capacidade de acesso múltiplo FDMA pode ser examinada em termos
da taxa de informação que o método atinge em um canal de ruído
gaussiano branco aditivo ideal (AWGN) de largura de banda finita B. Para
simplificar, assumimos um número uniforme de usuários, digamos, L.
Cada usuário tem uma potência de portadora média similar 
para todos os valores de usuários onde 
Assim, cada usuário receberá uma largura de banda (B/L). Portanto, a
capacidade para cada usuário pode ser expressa como:
Eq. 1
FDMA atribuído por demanda
Em um sistema FDMA atribuído por demanda, a frequência do
transponder é subdividida em vários canais, e a estação terrestre recebe
um canal dependendo de sua solicitação à estação de controle. A
atribuição de demanda pode ser realizada usando o método de polling
(por sondagem) ou usando o método de acesso aleatório. No método
de polling, a estação terrestre mestre pesquisa continuamente todas as
estações terrestres em sequência e, se a solicitação for encontrada, os
slots de frequência são atribuídos à estação que fez a solicitação.
Ainda, o método de acesso aleatório pode ser de dois tipos:
Método de acesso aleatório
controlado centralmente
As estações terrenas fazem solicitações por meio da estação terrena
mestre conforme a necessidade.
Método de acesso aleatório de
controle distribuído
O controle é exercido em cada estação terrestre.
FDMA pré-atribuído
Os slots de frequência são pré-atribuídos às estações terrenas. As
alocações de slots são predeterminadas e não oferecem flexibilidade.
Portanto, alguns slots podem estarenfrentando o problema de excesso
de tráfego, enquanto outros slots podem estar ociosos.
Ci = C,
i i = 1, 2, … ,L.
CFD =
B
L
⋅ log2 (1 +
C
( B
L
) ⋅ N0
)
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Sistemas de canal único
por portadora (SCPC)
Neste vídeo, abordaremos os sistemas: SCPC/FM/FDMA e
SCPC/PSK/FDMA, como eles se comportam, e quando eles são
utilizados.
Sistema SCPC/FM/FDMA
Nesta forma de sistema SCPC, cada canal de sinal modula em FM
(modulação em frequência) uma portadora de RF separada. Assim, o
sinal modulado é então transmitido a um transponder FDMA. A largura
de banda do transponder é subdividida de tal forma que cada canal de
sinal de banda base é alocado a uma subdivisão separada do
transponder e uma portadora individual. Embora sofra do problema de
limitação de potência resultante do uso de múltiplas portadoras e dos
problemas de intermodulação associados, ele permite que um maior
número de estações terrestres acesse e compartilhe a capacidade do
transponder usando unidades menores e mais econômicas em
comparação com vários canais por sistemas de transporte.
Esse tipo de sistema SCPC também tem a vantagem de que a potência
das portadoras individuais transmitidas pode ser ajustada para o valor
ideal para determinadas condições de enlace. Alguns canais podem
operar em níveis de potência mais altos do que outros, dependendo do
requisito de back-off para o dispositivo de potência de saída do
transponder. Pode-se mencionar aqui que o back-off de saída ou
simplesmente o back-off do dispositivo de potência de saída do
transponder é a razão entre a potência de saída saturada e a potência de
saída desejada.
A imagem a seguir mostra o caminho de transmissão para um sistema
SCPC/FM/FDMA.
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Acesso ao canal SCPC/FM/FDMA.
Diferentes sinais de banda base modulam em frequência suas
respectivas portadoras alocadas, que são combinadas e então
transmitidas ao satélite pelo uplink. A relação de potência sinal-ruído
(S/N) na saída do demodulador para o sistema SCPC/FM/FDMA pode
ser calculada a partir de:
Eq. 2
Onde:
C = potência da portadora na entrada do receptor (em W)
N = potência do ruído (em W) na largura de banda B (em Hz)
B = largura de banda (em Hz)
fd = desvio de frequência (em Hz)
f2 = frequência da banda base superior (em Hz)
f1 = frequência da banda base inferior (em Hz)
Sistema SCPC/PSK/FDMA
Esta é a forma digital do sistema SCPC em que a técnica de modulação
utilizada é o phase-shift keying (PSK). O SPADE (Single Channel per
Carrier PCM Multiple Access Demand Assignment Equipment) foi o
primeiro sistema operacional SCPC/PSK/FDMA. Ele foi projetado para
uso em satélites Intelsat-4 e subsequentes da Intelsat. Esse sistema
emprega PCM (modulação por código de pulso) para codificação de
S
N
= ( C
N
) ⋅ 3B ⋅ (
f 2d
f 22 − f
2
1
)
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sinal de banda base e QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) como
técnica de modulação de portadora. Com isso, é possível acomodar um
canal de voz de 64 kbps em uma largura de banda de 38,4 kHz, em
comparação com o requisito de 45 kHz completos no caso de
modulação de frequência. Com o uso de 45 kHz por canal no QPSK, a
banda de guarda é efetivamente incluída nessa largura de banda, o que
permite ao sistema SPADE lidar com 800 canais de voz em uma largura
de banda de transponder de 36 MHz. O sistema SPADE oferece a
vantagem da ativação por voz descrita anteriormente. O serviço
empresarial ECS-2 (satélite europeu de comunicações) é outro exemplo
de sistema SCPC/PSK/FDMA.
Interferência de canais
adjacentes e
intermodulação
Neste vídeo, abordaremos a interferência de canais adjacentes. Além
disso, ficará por dentro do conceito de intermodulação.
Interferência de canais adjacentes
Conforme o gráfico a seguir, a largura de banda do canal é ocupada por
várias portadoras em diferentes frequências. O canal os transmite para
todas as estações terrenas situadas na área de cobertura da antena de
satélite. As portadoras devem ser filtradas pelo receptor em cada
estação terrena, e essa filtragem é mais fácil de ser realizada quando os
espectros das portadoras são separados uns dos outros por uma banda
de guarda de frequência. No entanto, o uso de bandas de guarda largas
leva a um uso ineficiente da largura de banda do canal e a um maior
custo operacional, por portadora, do segmento espacial. Há, portanto,
um compromisso técnico e econômico a ser feito. Qualquer que seja o
compromisso escolhido, parte da potência de uma portadora adjacente
a uma dada portadora será captada pelo receptor sintonizado na
frequência da portadora considerada. Isso causa ruído devido à
interferência, chamada interferência de canal adjacente (ACI).
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Gráfico: Interferência de canais adjacentes.
Intermodulação
Pela natureza do acesso múltiplo por divisão de frequência, o canal
repetidor amplifica simultaneamente várias portadoras em diferentes
frequências. A própria estação terrena possui um amplificador de
potência não linear, e esse amplificador pode ser alimentado por várias
portadoras em diferentes frequências. Em geral, quando N sinais
senoidais nas frequências f1, f2,..., fN passam por um amplificador não
linear, a saída contém não apenas os N sinais nas frequências originais,
mas também sinais indesejáveis chamados produtos de
intermodulação. Estes aparecem nas frequências fIM, que são
combinações lineares das frequências de entrada, assim:
Eq. 3
Onde:
m1, m2, . . ., mN são inteiros positivos ou negativos.
A quantidade X é chamada de ordem de um produto de intermodulação
tal que
Eq. 4
Quando a frequência central do amplificador de banda passante é
grande em comparação com sua largura de banda, que é o caso de um
canal repetidor de satélite (compare a frequência central de vários 
com a largura de banda de algumas dezenas de ), apenas os
produtos de intermodulação de ordem ímpar, onde caem
dentro da largura de banda do amplificador. Além disso, a amplitude dos
fI = m1f1 + m2f2 + ⋯ + mNfN
X = |m1| + |m2| + ⋯ + |mN |
GHz
MHz
∑mi = 1,
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produtos de intermodulação diminui com a ordem do produto. Assim, na
prática, apenas os produtos de ordem 3 e, em menor grau, 5, são
significativos.
A imagem a seguir mostra a geração de produtos de intermodulação de
duas portadoras não moduladas nas frequências f1 e f2. Pode-se
observar que, no caso de portadoras não moduladas de amplitude
desigual, os produtos de intermodulação são maiores em altas
frequências se a portadora de maior amplitude for a de maior frequência
e em baixas frequências se a portadora de maior amplitude for aquela
que tem a frequência mais baixa. Isso indica a vantagem de localizar as
portadoras de maior potência nas extremidades da largura de banda do
canal, pois os produtos de intermodulação com maiores valores sairão
da largura de banda do canal e não se propagarão no downlink.
Produtos de intermodulação.
Falta pouco para atingir seus objetivos.
Vamos praticar alguns conceitos?
Questão 1
A transferência de informações entre várias estações terrenas
implica o estabelecimento de vários canais de comunicação
simultâneos entre as estações por meio de determinado canal
repetidor de satélite. Nesse contexto, o esquema FDMA permite o
particionamento de um canal de comunicação, com largura de
banda limitada, em um conjunto de canais independentes de baixavelocidade, em que cada um dos quais utiliza sua porção
permanentemente atribuída. Sabendo disso, indique entre as
alternativas a seguir o elemento que, adequadamente ajustado,
garantirá uma baixa interferência entre os canais adjacentes.
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Parabéns! A alternativa D está correta.
A banda de guarda adicionada ao canal de comunicações, quando
adequadamente ajustada, garantirá um uso eficiente da largura de
banda e garantirá uma baixa interferência entre os canais
adjacentes.
Questão 2
A maneira usual de se realizar um esquema FDMA é por meio da
associação de um canal a cada portadora. Esse esquema é
conhecido por canal único por portadora (SCPC– Single Channel per
Carrier). Sobre o tema, julgue as afirmativas a seguir.
I. No FDMA, a largura de banda disponível é alocada dentro de
uma faixa para cada estação durante sua transmissão de
dados. Em outras palavras, uma faixa de frequência é
reservada para uma estação específica e a ela pertence por
todo o tempo.
II. No FDMA, as estações compartilham a largura de banda do
canal no tempo. É alocado um time slot a cada estação,
durante o qual ela pode enviar dados. Cada estação transmite
seus dados no time slot que lhe é alocado.
III. Em um sistema FDMA pré-atribuído, as alocações de slots são
predeterminadas e não oferecem flexibilidade.
IV. No FDMA, os canais possuem bandas de guarda nas suas
extremidades, que são pequenas faixas de frequências
A Estação terrena.
B Modelo de criptografia.
C Modulador FM ou PSK.
D Banda de guarda.
E Codificador do canal.
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destinadas a minimizar o efeito causado por filtros e
osciladores imperfeitos, ou seja, minimizar a interferência de
canal adjacente.
Estão corretas as afirmativas
Parabéns! A alternativa C está correta.
No acesso múltiplo por divisão de frequência, a largura de banda
disponível é alocada dentro de uma faixa para cada estação durante
sua transmissão de dados, bem como o seu uso em sistema FDMA
pré-atribuído os slots são predeterminados e não oferecem
flexibilidade. A técnica FDMA utiliza bandas de guarda nas suas
extremidades, que são pequenas faixas de frequências destinadas
a minimizar o efeito causado por filtros e osciladores imperfeitos,
ou seja, minimizar a interferência de canal. O item II evidencia uma
característica da técnica TDMA.
A I e II.
B I, II, III e IV.
C I, III e IV.
D III e IV.
E I e III.
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3 - Múltiplo acesso por divisão de tempo
(TDMA)
Ao �nal deste módulo, você será capaz de reconhecer os conceitos,
elementos e arquitetura de um sistema TDMA.
Os conceitos, elementos e
arquitetura de um sistema
TDMA
Neste vídeo, abordaremos o funcionamento da estrutura de um sistema
de rede TDMA e sua eficiência.
Visão geral
Neste vídeo, veremos como são realizadas e como se comportam as
transmissões em estações em rede TDMA.
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As transmissões de estações terrestres em uma rede TDMA comum
estão todas na mesma frequência, e cada uma emprega toda a largura
de banda do canal de RF, que pode consistir em um transponder inteiro
(transponder completo TDMA) ou em um segmento de largura de banda
dentro de um transponder (TDMA de banda estreita). A interferência
entre as transmissões, que estão na mesma frequência, é evitada
sincronizando a transmissão para que não se sobreponham no tempo.
Esse é um processo muito mais complexo do que o FDMA porque um
sistema comum de temporização e controle deve ser empregado pelas
estações terrestres.
As estações terrenas individuais, portanto, transmitem seu tráfego na
forma de burst (rajada) de informação, necessitando da compressão do
tráfego no tempo na extremidade transmissora e na expansão
complementar na extremidade receptora. Uma técnica semelhante é
usada em LANs (redes locais) baseadas em PC (computador pessoal),
permitindo que vários PCs “conversem” entre si em um loop de cabo
comum. Em TDMA, a modulação mais apropriada é a de natureza digital
desde que seja compatível com os requisitos de compressão e
temporização da transmissão em rajada.
Um exemplo de atribuição de quadro TDMA é fornecido na imagem a
seguir. As únicas ineficiências ocorrem devido à necessidade de tempos
de guarda entre rajadas, análogas às bandas de guarda usadas em
FDMA, bits de sobrecarga de quadro "preâmbulo" usados para
sincronização e dados de controle de rede. A operação totalmente
saturada do transponder permite que a taxa de bits seja executada até o
máximo teórico, sem perda significativa.
Quadro padrão TDMA.
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Existem algumas degradações que se aplicam ao transponder TDMA
completo. A primeira é que as próprias rajadas produzem pulsos de
corrente contínua pelo amplificador de saída do transponder; alguma
forma de compensação normalmente é necessária no subsistema de
energia da espaçonave para evitar que os pulsos afetem a operação de
outro equipamento na mesma linha de energia. Outra preocupação são
as bandas laterais que podem ser geradas no transponder,
potencialmente causando interferência no transponder adjacente. No
entanto, ambos os fatores podem ser tratados de forma eficaz no
projeto da estrutura de modulação e do próprio repetidor, ou recuando o
amplificador de saída. O TDMA de banda estreita encontrou ampla
aplicação em redes de satélites, bem como no popular sistema de rádio
móvel GSM. Essa configuração exige muito menos do terminal do
usuário, que pode ser projetado para operação com consumo de energia
muito baixo.
Estrutura do frame TDMA
Neste vídeo, abordaremos mais sobre a rajada de tráfego oriunda de
várias estações terrestres, e o quadro TDMA.
Conforme mencionado, em uma rede TDMA, cada uma das múltiplas
estações terrestres que acessam determinado transponder de satélite
transmite uma ou mais rajadas de dados (tráfego). O satélite recebe na
sua entrada um conjunto de rajadas de um grande número de estações
terrestres. Esse conjunto de rajadas de várias estações terrestres é
chamado de quadro TDMA.
Na imagem a seguir, podemos ver que o quadro começa com uma
rajada de referência transmitida por uma estação de referência na rede.
A rajada de referência é seguida por rajadas de tráfego de várias
estações terrestres com um tempo de guarda entre várias rajadas de
tráfego de diferentes estações. As rajadas de tráfego são sincronizadas
com a rajada de referência para fixar sua referência de tempo.
Diferentes partes da estrutura do quadro TDMA são brevemente
descritas nos parágrafos a seguir.
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Estrutura dos quadros em rajadas.
Rajadas de referência (reference burst)
A rajada de referência geralmente é uma combinação de duas rajadas
(RB-1 e RB-2). A rajada de referência primária, que pode ser RB-1 ou RB-
2, é transmitida por uma das estações, denominada estação de
referência primária, na rede. A rajada de referência secundária, que é RB-
1 se a rajada de referência primária for RB-2, e RB-2 se a rajada de
referência primária for RB-1, é transmitida por outra estação, chamada
estação de referência secundária, na rede. A rajada de referência muda
automaticamente para a rajada de referência secundária no caso de
falha da estação de referência primária em fornecer rajada de referência
à rede TDMA. A rajada de referência nãocarrega nenhuma informação
de tráfego e é usada para fornecer referências de tempo para várias
estações que acessam o transponder TDMA.
Rajada de tráfego
Diferentes estações acessando o transponder de satélite podem
transmitir uma ou mais rajadas de tráfego por quadro TDMA e
posicioná-las em qualquer lugar no quadro de acordo com um plano de
tempo de rajada que coordena o tráfego entre várias estações. A
referência de tempo para a localização da rajada de tráfego é obtida a
partir do momento da ocorrência da rajada de referência primária. Com
essa referência, uma estação pode localizar e então extrair o tráfego
para a rajada ou parte destinada a ela. A rajada de referência também
fornece uma posição temporal para as estações transmitirem seu
tráfego de rajadas, de modo a garantir que elas cheguem ao transponder
do satélite dentro de suas posições designadas no quadro TDMA.
Tempo de guarda
Diferentes rajadas são separadas umas das outras por um curto tempo
de guarda, o que garante que as rajadas de diferentes estações
acessando o transponder do satélite não se sobreponham. Esse tempo
de guarda deve ser longo o suficiente para permitir diferenças nas
imprecisões de tempo de transmissão e também diferenças nas
variações de taxa de alcance do satélite.
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Estrutura do burst TDMA
Neste vídeo, abordaremos a estrutura em burst, para compreensão da
rajada de tráfego e a sequência de bits do preâmbulo.
A rajada de tráfego tem duas partes principais, a saber, a porção
portadora de informação e outra sequência de bits que precede os
dados de informação, denominada preâmbulo. A finalidade da
sequência de bits do preâmbulo é sincronizar a rajada e transportar
informações de gerenciamento e controle. O preâmbulo geralmente
consiste em três partes adjacentes:

Sequência de recuperação da
portadora e do relógio

Palavra única

Canal de sinalização
A rajada de referência não carrega dados de tráfego e contém apenas o
preâmbulo.
Sequência de recuperação de portadora e
relógio
Diferentes estações terrestres têm pequenas diferenças em frequência
e taxa de bits. Portanto, as estações receptoras devem ser capazes de
estabelecer com precisão a frequência e a taxa de bits de cada rajada.
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Isso é obtido com a ajuda de bits de sequência de recuperação de
portadora e relógio. O comprimento dessa sequência geralmente
depende da relação portadora-ruído na entrada do demodulador e da
incerteza da frequência da portadora. Uma relação portadora-ruído mais
alta e uma incerteza de frequência portadora menor exigem uma
sequência de bits menor para a recuperação da portadora e do relógio e
vice-versa.
Palavra única
A palavra única é uma sequência de bits que segue a sequência de
recuperação da portadora e do relógio no preâmbulo. Na rajada de
referência, essa sequência de bits permite que a estação terrestre
localize a posição do quadro TDMA recebido. A sequência única de bits
de palavra na rajada de tráfego fornece uma referência de tempo na
ocorrência da rajada de tráfego. O marcador de tempo permite a
identificação do início e fim de uma mensagem no burst e auxilia na
correta decodificação. Por razões óbvias, a palavra única deve ter uma
alta probabilidade de detecção.
Exemplo
Quando a palavra única de uma rajada de tráfego é perdida, toda a
rajada de tráfego é perdida. Para conseguir isso, a palavra única é uma
sequência de 1 e 0 selecionados para exibir boas propriedades de
correlação para aumentar a probabilidade de detecção.
A imagem a seguir mostra um tipo de circuito de correlação digital que
pode ser usado para detectar a sequência de bits de palavra única. Aqui,
a palavra única tem N bits e está correlacionada a um padrão
armazenado em si. Os dados recebidos são inseridos em um dos
registradores de deslocamento de N-bits, conforme mostrado na figura,
em sincronização à taxa de clock de dados. O outro registrador de
deslocamento de N-bits tem um padrão armazenado da palavra única.
Cada estágio do registrador de deslocamento alimenta um somador de
2 bits, cuja saída é ‘0’ se os bits estiverem com o mesmo valor e ‘1’ se
forem diferentes. As saídas de N somadores são somadas.
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Circuito de correlação digital.
A saída do somador é uma função que depende do número de
igualdades ou desigualdades entre o padrão de bit de palavra única
recebido e o padrão armazenado. A saída do somador então alimenta
um detector de limite que especifica o número aceitável de
discordâncias. Se o número de incompatibilidades for menor ou igual ao
valor limite predefinido, considera-se que a palavra única foi detectada.
Lembre-se de que uma declaração de detecção da palavra única ocorre
no instante de tempo da recepção do último bit ou símbolo da palavra
única.
Canal de sinalização
O canal de sinalização é usado para realizar funções de gerenciamento
e controle do sistema. O canal de sinalização da rajada de referência
possui três canais, a saber: (a) um canal de pedido, usado para passar
instruções de e para as estações terrenas, (b) um canal de
gerenciamento (transmitido pelas estações de referência a todas as
estações de tráfego) que transporta instruções de gerenciamento de
quadros, como mudanças no plano de tempo de rajada que coordena o
tráfego entre estações diferentes e (c) um canal de temporização de
transmissão que transporta informações de aquisição e sincronização
para estações de tráfego diferentes, permitindo que elas ajustem seu
tempo de rajada de transmissão (TBT) para que rajadas semelhantes de
estações diferentes possam alcançar o transponder do satélite dentro
do intervalo de tempo correto no quadro TDMA.
Informações de tráfego
As rajadas de tráfego seguem a rajada de referência na estrutura do
quadro TDMA. Cada estação na rede TDMA pode transmitir e receber
muitas rajadas e sub-rajadas de tráfego por quadro. A duração de cada
sub-rajada, que representa informações sobre determinado canal,
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depende do tipo de serviço e do número de canais suportados na rajada
de tráfego. Por exemplo, ao transmitir um canal de voz PCM equivalente
a uma taxa de dados de 64 kbps, cada sub-rajada para esse canal teria
64 bits de comprimento se o tempo de quadro disponível para esse fim
fosse de 1 ms.
E�ciência do quadro TDMA
Neste vídeo, abordaremos o que é o TDMA e qual é a importância de
compreender a porcentagem do comprimento do quadrado alocado
para transmissão.
A eficiência do quadro TDMA é definida como a porcentagem do
comprimento total do quadro alocado para transmissão de dados de
tráfego. É expressa como:
Eq. 5
Onde:
Tx = parte do quadro de overhead (tempo de guarda, preâmbulo)
Tf = tamanho do quadro
No caso em que os quadros têm n rajadas, Tx pode ainda ser expresso:
Eq. 6
Onde:
Tg = tempo de guarda entre as rajadas
1 − ( Tx
Tf
)
Tx = n ⋅ Tg +
n
∑
i=0
Tp,i
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Tg = preâmbulo da iésima rajada
A eficiência do quadro deve ser a mais alta possível. Um dos métodos
para conseguir isso é reduzir a parte superior do quadro. Isso não pode
ser feito arbitrariamente. Por exemplo, a sequência de recuperação da
portadora e do relógio deve ser longa o suficiente para fornecer uma
aquisição estável da portadora e minimizar os efeitos nocivos da
interferência entre rajadas. Além disso, o tempo de guarda entre as
rajadas deve serlongo o suficiente para permitir diferenças nas
imprecisões de tempo de transmissão e diferenças nas variações de
taxa de alcance do satélite.
A eficiência do quadro também pode ser incrementada aumentando o
comprimento do quadro. No entanto, quanto maior o comprimento do
quadro, maior é a quantidade de memória necessária para executar
funções como: armazenar os dados terrestres recebidos em uma taxa
contínua para um quadro, transmitir os dados a uma taxa de bits de
rajada muito maior para o satélite, armazenar as rajadas de tráfego
recebidas e, em seguida, converter os dados recebidos em dados
terrestres de saída contínuos inferiores.
Aquisição do frame e
sincronização
Neste vídeo, veremos como realizar a aquisição de dados em frame, e
como realizar a sincronização desses frames para transmissão dos
dados.
A aquisição e sincronização de quadros, tanto durante as fases de
recepção quanto de transmissão, são vitais para o funcionamento
adequado de uma rede TDMA. Durante a recepção, a estação deve ser
capaz de receber as rajadas de tráfego endereçadas a ela pelo(s)
transponder(es) do satélite em cada quadro. Da mesma forma, durante
a transmissão, a estação deve ser capaz de transmitir as rajadas de
tráfego de forma que as rajadas cheguem ao(s) transponder(es) na
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posição correta dentro do quadro sem qualquer sobreposição com as
rajadas de outras estações de tráfego.
Extração de rajadas de tráfego de quadros de
recepção
Para garantir uma operação de recepção adequada, a estação de
tráfego estabelece a temporização do quadro de recepção (RFT), que é
definido como o instante de tempo da ocorrência do último bit ou
símbolo da palavra única da rajada de referência primária. Isso define o
marcador de tempo a partir do qual a localização da rajada de tráfego
destinada a determinada estação pode ser fixada. Isso é obtido
identificando o tempo de rajada de recebimento (RBT), que é
determinado pelo conhecimento do deslocamento entre a referência de
temporização do quadro de recepção e o tempo de rajada de
transmissão.
Com a ajuda de um plano de tempo de rajada de recepção, a estação de
tráfego pode extrair todas as rajadas de tráfego endereçadas a ela em
diferentes quadros. Todo esse processo é chamado de aquisição do
quadro de recepção.
Transmissão de rajadas de tráfego
Um pré-requisito para a transmissão adequada de rajadas de tráfego é
que ela alcance o transponder do satélite dentro da posição alocada no
quadro TDMA, de modo a não causar qualquer sobreposição com
rajadas de tráfego transmitidas ao transponder por outras estações de
tráfego. Isso pode ser assegurado estabelecendo dois mecanismos:
Temporização de quadro de
transmissão (TFT)
Marca o início do horário da estação.
Temporização de rajada de
transmissão (TBT)
Marca o início do pico de tráfego.
Novamente, a posição da rajada de tráfego em um quadro transmitido é
determinada pelo deslocamento entre o tempo do quadro de
transmissão e o tempo da rajada de transmissão. A informação sobre o
deslocamento está contida no plano de tempo de rajada de transmissão
armazenado na memória de primeiro plano da estação de tráfego. A
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rajada de tráfego que é transmitida em seu tempo de rajada de
transmissão cairá em sua posição apropriada no quadro TDMA no
transponder. Da mesma forma, rajadas de tráfego de outras estações
acessando um transponder específico caem em suas posições pré-
atribuídas ou designadas no quadro TDMA sem causar qualquer
sobreposição de rajada.
Sincronização de quadros
O que estamos discutindo até o momento versa sobre a aquisição das
temporizações do quadro de recepção e do quadro de transmissão. O
processo de aquisição é necessário quando uma estação entra ou volta
a operar. O processo de manutenção das referências de tempo
adquiridas é a sincronização.
A sincronização torna-se uma necessidade devido a
pequenas mudanças na órbita do satélite causadas por
uma variedade de fatores. Uma órbita de satélite
geoestacionário pode ser especificada em termos de
seu ângulo de inclinação com o plano equatorial, sua
excentricidade e sua deriva leste-oeste. Uma variação
no ângulo de inclinação causa uma deriva norte-sul e
uma variação na excentricidade causa uma variação na
altitude.
No caso de uma órbita geoestacionária, a variação pico a pico em
altitude é de 0,2% do raio da órbita (= 42.164 km), o que equivale a cerca
de 85 km (0,2 × 42164/100). A deriva pico-a-pico norte-sul e pico-a-pico
leste-oeste é de cerca de 0,2 graus, o que equivale a cerca de 150 km em
termos de distância. Isso é equivalente a um atraso de propagação
unidirecional de 0,575 ms e uma variação máxima de atraso de ida e
volta de 1,15 ms. Assumindo que o satélite leva cerca de 8 horas para se
mover de sua posição nominal para uma posição onde ocorre a variação
máxima de atraso, isso leva a um deslocamento doppler máximo de 40
ns/s.
Falta pouco para atingir seus objetivos.
Vamos praticar alguns conceitos?
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Questão 1
Um quadro TDMA e a sua estrutura de rajada tem os seguintes
parâmetros:
Comprimento do quadro TDMA = 20 ms
Comprimento da sequência de recuperação da portadora e do
relógio = 352 bits
Comprimento da palavra única = 48 bits
Comprimento do canal de pedido = 510 bits
Comprimento do canal de gerenciamento = 256 bits
Comprimento do canal de temporização de transmissão = 320
bits
Comprimento do canal de serviço = 24 bits
Tempo de guarda = 64 bits
Sabendo que o canal de sinalização possui as informações de
pedido, gerenciamento e temporização de transmissão, pode-se
afirmar que o comprimento da rajada de referência é em bits
Parabéns! A alternativa B está correta.
Sabe-se que a rajada de referência contém a sequência de
recuperação da portadora e do relógio, palavra única e o canal de
A 1349.
B 1486.
C 1536.
D 1586.
E 1593.
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sinalização. Portanto, o comprimento do preâmbulo de rajada de
referência será de 352 + 48 + 510 + 256 + 320 = 1486 bits.
Questão 2
Um sistema TDMA utiliza um link direto de 25 MHz, no qual é
dividido em canais de rádio de 200 kHz. Se 8 canais de voz são
suportados em um único canal de rádio, quantos usuários
simultâneos podem ser acomodados?
Parabéns! A alternativa A está correta.
O sistema TDMA utiliza um link direto de 25 MHz e que é dividido
em canais de rádio de 200 kHz. Logo, teremos 25MHz/200KHz ou
125 canais de rádio. Se 8 canais de fala forem suportados em um
único canal de rádio, teremos 125*8 ou 1.000 usuários simultâneos
acomodados.
A 1000
B 1100
C 1200
D 1300
E 1400
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4 - Múltiplo acesso por divisão de código
(CDMA) e espacial (SDMA)
Ao �nal deste módulo, você será capaz de reconhecer os conceitos,
elementos e arquitetura de um sistema SDMA e CDMA.
Conceitos, elementos e
arquitetura de um sistema
SDMA e CDMA
Neste vídeo, abordaremos a arquitetura dos sistemas SDMA e CDMA e
discutiremos suas propriedades, evidenciando suas diferenças.
CDMA
Neste vídeo, você verá o funcionamento de um sistema de transmissão
de amplo espectro e porque nesse sistema não é necessário separar
tempo e frequência.
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O CDMA opera com base no princípio da transmissão de amplo
espectro. As assinaturas de endereço(códigos), separáveis de forma
exclusiva, são incorporadas na forma de onda da portadora de uplink.
Cada uplink usa toda a largura de banda do satélite e transmite através
do satélite sempre que necessário, com todas as estações ativas
sobrepondo suas formas de onda no downlink. Como tal, nenhuma
separação de tempo ou frequência é necessária. A separação da
portadora é alcançada em cada estação terrena identificando a
portadora com uma assinatura apropriada.
A estação de downlink, como no gráfico (b), espalha o espectro do
usuário do gráfico (a). O espectro de propagação pode conter algum
ruído e outras interferências quando é retransmitido. O receptor
recupera a informação útil reduzindo o espectro da portadora
transmitida em sua largura de banda original, conforme o gráfico (c). O
efeito do ruído e outras interferências foram suprimidos no gráfico (c)
para fins de brevidade. Essa operação espalha simultaneamente o
espectro de outros usuários de forma que eles apareçam como ruído de
baixa densidade espectral.
Sistema CDMA.
Deve-se notar que não se pode simplesmente usar códigos de diferentes
fases arbitrárias para fornecer CDMA porque os códigos têm lóbulos
laterais de alta autocorrelação nos períodos subsequentes. Além disso,
a densidade espectral de potência dos códigos possui componentes de
frequências correspondentes a cada um dos períodos de código.
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A taxa de espalhamento é determinada pela taxa de código Kc/rc e pode
ser obtida com códigos de canal de baixa taxa ou códigos de endereço
longos, como:
Eq. 7
Eq. 8
Onde:
Rb= taxa de bits
B = largura de banda
Ts= duração do quadro
Assim, a taxa de espalhamento Kc/rc = B/rb. Essa relação é comumente
chamada de proporção de espalhamento da modulação de código ou
fator de expansão de largura de banda CDMA.
Nesse momento é importante esclarecermos que o conceito básico
dessa técnica é separar ou filtrar diferentes sinais de diferentes
usuários, não usando frequência ou tempo, mas pelo código específico
que embaralha cada transmissão. Quanto às técnicas utilizadas,
podemos citar o espectro de dispersão de sequência direta (DSSS) no
qual usa uma sequência de bits de alta velocidade para executar a
propagação e o espectro de dispersão de salto de frequência (FHSS)
que altera rapidamente a frequência da portadora para obter o mesmo
resultado. O mais comum é o DSSS, no qual o código é uma longa
sequência de bits, executando muitas vezes a taxa de bits da
informação original. Isso expande a largura de banda na proporção de
taxas de bits; por exemplo, se a sequência de código aleatório for 1.000
vezes a taxa de bits original, a largura de banda resultante também será
1.000 vezes. Na superfície, isso parece muito ineficiente em termos de
uso do espectro, mas permite que quase tantos sinais sejam
transmitidos um em cima do outro.
DSSS/CDMA e FHSS/CDMA
Kc = TsB
rc =
1
Tsrb
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Neste vídeo, abordaremos os sistemas DSSS/CDMA e FHSS/CDMA.
Além disso, ficará por dentro dos mecanismos de transmissão e
recepção desses sistemas.
Transmissão e recepção DSSS
A imagem a seguir mostra o transmissor DS-CDMA básico. O
transmissor gera um fluxo de bits multiplicando no domínio do tempo o
fluxo de bits de mensagem mi(t) e a informação de código ai(t). A
multiplicação no domínio do tempo é a convolução no domínio da
frequência. Portanto, o produto de mi(t) e ai(t) produz um sinal cujo
espectro nada mais é do que a convolução do espectro de mi(t) e do
espectro de ai(t). Além disso, se a largura de banda do sinal de
mensagem for muito menor do que a largura de banda do sinal de
código, o sinal do produto terá uma largura de banda próxima à largura
do sinal de código.
Esquema básico transmissor DS-CDMA.
O sinal de mensagem poderá ser um sinal analógico ou digital. Porém,
na maioria dos casos, é um sinal digital. Assim, após sua modulação, o
sinal de mensagem é multiplicado pelo sinal de código. O sinal
resultante então modula uma portadora de banda larga usando uma
técnica de modulação digital, que geralmente é alguma forma de PSK.
A imagem a seguir mostra esquema básico do bloco do receptor DS
CDMA. Presume-se que o receptor esteja configurado para receber a
mensagem sinal mi(t). O receptor, nesse caso, gera um sinal de código
ai(t) sincronizado com a mensagem recebida, que será utilizada para
retirar o ruído, na reconstituição do sinal.
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Esquema básico receptor DS-CDMA.
Transmissão e recepção FHSS
No caso de um sistema CDMA com salto de frequência (FH-CDMA), a
portadora é transladada sequencialmente para uma série de intervalos
de frequência espalhados por toda a largura de banda do transponder
do satélite. O transmissor opera em sincronia com o receptor, que fica
sempre sintonizado na frequência do transmissor. O transmissor
transmite uma pequena rajada de dados em uma banda estreita, depois
sintoniza outra frequência e transmite novamente. O transmissor,
portanto, salta sua frequência em uma determinada largura de banda
várias vezes por segundo, transmitindo uma frequência por determinado
período de tempo, depois saltando para outra frequência e transmitindo
novamente. Isso é obtido usando um sintetizador de frequência cuja
saída é controlada por uma sequência de código pseudoaleatória. Essa
sequência de código decide a frequência de transmissão instantânea.
No lado do receptor, os dados podem ser recuperados usando um
sintetizador de frequência idêntico controlado por uma sequência
pseudoaleatória idêntica. As imagens seguintes mostram os arranjos
esquemáticos de blocos do transmissor e receptor FH-CDMA típicos,
respectivamente.
Esquema básico transmissor FH-CDMA.
Devido ao padrão de salto aleatório governado pela sequência
pseudoaleatória, para um observador, a portadora parece usar toda a
largura de banda do transponder durante o período da sequência
pseudoaleatória. Em determinado instante de tempo, no entanto, ele usa
um intervalo de frequência específico. A taxa de salto da portadora pode
ser igual à taxa de símbolo codificado no caso de sistemas de salto
lento ou ser várias vezes maior que a taxa de símbolo codificado no
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caso de sistemas de salto rápido. No caso do FH-CDMA, cada estação
terrestre recebe um padrão de salto exclusivo.
Esquema básico receptor DS-CDMA.
SDMA
Neste vídeo, você compreenderá o conceito SDMA. Além disso, ficará
por dentro da criação e reutilização para o transporte de informações.
Até agora, foram discutidas técnicas de acesso múltiplo que permitem
que várias estações terrestres acessem determinada capacidade do(s)
transponder(es) sem causar qualquer interferência entre eles. Vejamos
mais alguns detalhes sobre essas técnicas:
É uma técnica onde diferentes estações terrenas são capazes de
acessar a largura de banda total disponível no(s) transponder(es)
do satélite em virtude de suas diferentes frequências portadoras,
evitando a interferência entre sinais múltiplos. Aqui cada estação
terrestre é alocada apenas uma parte da largura de banda total
disponível do transponder.
Técnica de acesso múltiplo por divisão de frequência
(FDMA) 
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É uma técnica onde diferentes estações terrestres na pegada do
satélite fazem uso do transponder usando uma única frequência
portadora com base na divisão de tempo. Nesse caso, toda a
largurade banda do transponder está disponível para cada
estação terrestre em tempo compartilhado.
É uma técnica onde toda a largura de banda do transponder é
usada simultaneamente por várias estações terrestres em todos
os momentos. Cada transmissor espalha seu sinal por toda a
largura de banda do transponder. Um dos métodos para fazer
isso é multiplicar o sinal de informação por uma sequência de
bits pseudoaleatória única. Outros incluem técnicas de salto de
frequência e salto de tempo. A interferência é evitada, pois cada
transmissor usa uma sequência de código exclusiva. As
estações receptoras recuperam as informações desejadas
usando um decodificador correspondente que funciona na
mesma sequência de código exclusivo usada durante a
transmissão.
É uma técnica que permite principalmente a reutilização de
frequência, onde as estações terrestres adjacentes dentro da
cobertura do satélite podem usar a mesma frequência de
transmissão da portadora e ainda evitar a interferência entre
canais usando polarização de feixe de antena ortogonal. Além
disso, as transmissões de/para um satélite ou para/de várias
estações terrestres podem usar a mesma frequência portadora
usando padrões de feixe de antena estreitos. Como também
mencionado anteriormente, em um link de satélite geral, o SDMA
geralmente é obtido em conjunto com outros tipos de técnicas
de acesso múltiplo, como FDMA, TDMA e CDMA.
Reutilização de frequência em SDMA
Técnica de acesso múltiplo por divisão de tempo (TDMA) 
Técnica de acesso múltiplo por divisão de código (CDMA) 
Acesso múltiplo no domínio do espaço (SDMA) 
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A reutilização de frequência, conforme descrito, é a principal
característica e o conceito subjacente de acesso múltiplo ao domínio do
espaço (SDMA). Diante das demandas cada vez maiores no espectro de
frequência, torna-se importante que as bandas de frequência atribuídas
às comunicações por satélite sejam utilizadas de forma eficiente.
Exemplo
Uma forma de reutilizar a frequência é reutilizar toda ou parte da banda
de frequências disponível para o efeito. Outra maneira poderia ser o
emprego de métodos eficientes de acesso do usuário. Ainda outra
abordagem poderia ser o uso de técnicas eficientes de modulação,
codificação e compressão para empacotar mais informações nas
larguras de banda disponíveis.
Restringindo a discussão ao reuso de frequência, que é o presente
tópico, os dois métodos comumente usados hoje para esse propósito
são separação de feixe e polarização de feixe. A separação de feixe
baseia-se no fato de que, se dois feixes são moldados de forma a
iluminar duas regiões diferentes na superfície da Terra sem
sobreposição, a mesma banda de frequência pode ser usada para os
dois sem causar interferência mútua. Pode-se fazer isso usando duas
antenas diferentes ou uma única antena com duas alimentações.
A polarização do feixe, por outro lado, baseia-se no princípio de usar
duas ondas eletromagnéticas polarizadas ortogonalmente para
transmitir e receber usando a mesma banda de frequência sem
interferência mútua entre as duas. As polarizações ortogonais usadas
comumente incluem polarizações horizontais e verticais ou
polarizações circulares à direita e à esquerda. Ambas as técnicas têm a
capacidade de dobrar a capacidade de transmissão individualmente e,
quando usadas em conjunto, podem aumentar a capacidade em quatro
vezes. SDMA raramente é usado isoladamente. Geralmente, é usado em
conjunto com outros tipos de técnicas de acesso múltiplo discutidas
anteriormente, incluindo FDMA, TDMA e CDMA.
Sistemas SDMA
Neste vídeo, você compreenderá o conceito SDMA. Além disso, ficará
por dentro das particularidades de cada sistema.
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Sistema SDMA/FDMA
A imagem a seguir mostra um arranjo esquemático de blocos típico do
sistema SDMA/FDMA no qual o satélite usa enlaces fixos para rotear
um sinal de enlace ascendente recebido por uma antena receptora para
uma antena transmissora de enlace descendente particular. Fica claro
no diagrama que o satélite usa várias antenas para produzir múltiplos
feixes. A combinação antena transmissora-receptora define as estações
terrenas de origem e destino. Os links fixos desejados podem ser
configurados a bordo do satélite usando alguma forma de chave, que
pode ser selecionada apenas ocasionalmente quando o satélite precisa
ser reconfigurado. Os links também podem ser configurados
alternativamente comutando os filtros com uma matriz de comutação
operada por um link de comando. Mais uma vez, pode ser mencionado
aqui que os comutadores de satélite são alterados apenas
ocasionalmente quando o satélite deve ser reconfigurado.
Arranjo típico de um sistema SDMA/FDMA.
Sistema SDMA/TDMA
Este sistema usa uma matriz de comutação para formar pares de feixes
uplink/downlink. Em conjunto com o TDMA, o sistema permite que o
tráfego TDMA dos feixes de uplink seja comutado para os feixes de
downlink durante o curso de um quadro TDMA. O link entre uma certa
combinação de origem e destino existe em um horário especificado
para a duração da rajada dentro do quadro TDMA. Como, por exemplo, o
sinal no feixe 1 pode ser roteado para o feixe 3 durante, digamos, os
primeiros 40 μs de um quadro TDMA de 2 ms e então roteado para o
feixe n durante o próximo intervalo de 40 μs. O processo continua até
que todas as conexões para o padrão de tráfego sejam concluídas. A
imagem a seguir mostra um arranjo típico de transponder para um
sistema SDMA/SS/TDMA (SS aqui significa ‘satélite comutado’).
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Arranjo típico de um sistema SDMA/SS/TDMA.
Sistema SDMA/CDMA
O satélite recebe um fluxo de bits CDMA de uplink, decodifica-o para
determinar o endereço de destino e então o direciona para o downlink
desejado. O fluxo de bits geralmente é reprogramado, regenerado e
armazenado em processadores integrados antes de ser retransmitido.
Isso implica que uma configuração de downlink não precisa ser igual à
configuração de uplink, permitindo assim que cada link seja otimizado.
Falta pouco para atingir seus objetivos.
Vamos praticar alguns conceitos?
Questão 1
Um sistema CDMA via satélite permite que cada transmissor
espalhe seu sinal por toda a largura de banda do transponder. Um
dos métodos para fazer isso é multiplicar o sinal de informação por
uma sequência de bits pseudoaleatória única. A partir do exposto,
pode-se dizer que o sistema CDMA utilizará eficientemente o (a)
A frequência.
B slot de tempo.
C largura de banda.
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Parabéns! A alternativa C está correta.
A técnica referenciada espalha o sinal a ser transmitido em toda a
largura de banda. Assim, o uso do CDMA possibilitará a otimização
da largura de banda.
Questão 2
O sistema SDMA/FDMA usa várias antenas para produzir múltiplos
feixes de forma que a combinação antena transmissora-receptora
definirá as estações terrenas de origem e destino. No sistema
SDMA/TDMA, existe uma matriz de comutação para formar pares
de feixes uplink/downlink. Já no SDMA/CDMA, a otimização é
gerada pela reconfiguração de destino e uso de processadores
integrados para geração do fluxo de bits do downlink. De acordo
com exposto, é possível inferir que um objetivo comum às técnicas
híbridas é
Parabéns! A alternativa E está correta.
O acesso múltiplo no domínio do espaço (SDMA) é uma técnica que
objetiva a reutilização de frequência, em que as estações terrestres
D portadora.
E modulador.
A manter a taxa de bits do enlace constante.
B diminuiro número de usuários por enlace.
C aumentar o slot de tempo do canal.
D aumentar a eficiência do modulador.
E reutilizar frequência.
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adjacentes dentro da área de cobertura do satélite podem usar a
mesma frequência de transmissão da portadora.
Independentemente da composição, um objetivo comum é a
reutilização de frequência.
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Considerações �nais
Existe uma grande variedade de soluções para o problema de acesso
múltiplo a um satélite por um grupo de estações da rede. A escolha do
tipo de acesso depende sobretudo de considerações econômicas.
As indicações gerais podem ser dadas de acordo com o tipo de tráfego.
Para tráfego caracterizado por mensagens longas que impliquem
transmissão contínua ou quase contínua de uma portadora (por
exemplo, tráfego telefônico, transmissão de televisão e
videoconferência), as técnicas de acesso FDMA, TDMA e CDMA são as
mais adequadas. Se o volume de tráfego por operadora for grande e o
número de acessos for pequeno, o FDMA tem como vantagem a
simplicidade operacional. Quando o tráfego por portadora é pequeno e o
número de acessos é grande, o FDMA perde muito em eficiência de uso
do segmento espacial e TDMA e CDMA são os melhores candidatos. No
entanto, TDMA requer equipamento de estação terrena relativamente
caro. Para estações pequenas expostas à interferência entre sistemas, o
CDMA pode ser preferido, apesar de sua baixa eficiência.
Podcast
Ouça um bate-papo com o panorama geral e exemplos sobre as
técnicas e métodos de acesso para comunicações via satélite.
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Navegue e explore o site daAgência Nacional de Telecomunicações
(Anatel) e descubra como a agência regula o uso do espectro de
frequência, em particular, o de satélite.
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Assista e relembre os conceitos de enlace de comunicações e os
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Referências
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satellite series number 2. Cambridge: Cambridge University Press, 2011.
BHATIA, K.Starlinked! An analysis of SpaceX’s small satellite mega-
constellation under the Fourth Amendment. Information &
communications technology law, p. 1–22, 2022.
KOLAWOLE, M. O.Satellite Communication Engineering. 2. ed. Oakville:
Apple Academic Press, 2013.
MAINI, A. K.; AGRAWAL, V.Satellite Technology: Principles and
Applications. 1. ed. Nashville: John Wiley & Sons, 2015.
MARAL, M. B. Satellite Communications Systems, systems, techniques
and technology. New Jersey: John Wiley & Sons, 2009.
MINOLI, D. Innovations in satellite communications and satellite
technology: The industry implications of DVB-S2X, high throughput
satellites, ultra HD, M2M, and IP. 1. ed. Nashville: John Wiley & Sons,
2015.
MINOLI, D.High throughput satellites technology and applications. Nova
York: Productivity Press, 2018.
PARKS, L.; SCHWOCH, J. (Eds.).Down to earth: Satellite technologies,
industries and cultures. New Brunswick: Rutgers University Press, 2012.
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