Redes Móveis Via-Satélites

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Redes Móveis:
Sistemas de Comunicações
Via-Satélites
‰ História
‰ Base Teórica
‰ Sistemas
‰ Localização
‰ Roteamento
‰ Handover
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História das Comunicações Via-Satélites
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
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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
Î sistema de satélites para estender sistemas de telefonia celular
(Ex: GSM ou AMPS)
substituídas por fibras ópticas
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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)
GWL
MUL
GSMISDN PSTN
Dados do
Usuário
PSTN: Public Switched
Telephone Network
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Base Teórica
Satélites em órbitas circulares
‰ Força atrativa Fg = m g (R/r)²
‰ Força centrifuga Fc = m r ω²
‰ m: massa do satélite
‰ R: raio da Terra (R = 6370 km)
‰ r: distancia do centro da Terra
‰ g: aceleração da gravidade (g = 9.81 m/s²)
‰ ω: velocidade angular (ω = 2 π f, f: freqüência de rotação)
Órbita Estável
‰ Fg = Fc
3
2
2
)2( f
gRr π=
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Base Teórica : Período de Satélite e órbitas
24
20
16
12
8
4
Período do
satélite [h]velocidade [ x1000 km/h]
distância síncrona
35,786 km
10 20 30 40 x106 m
radius
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Base Teórica
‰ Órbitas elípticas ou circulares
‰ O tempo para completa 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
Î 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
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Base Teórica : Inclinação
Inclinação δ
δ
Órbita do satélite
Perigeu
Plano de órbita do satélite
Plano equatorial
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Base Teórica : Elevação
ε
Elevação mínima:
elevação necessária pelo menos
para se comunicar com o satélite
f o o
t p r i
n t
Elevação:
ângulo ε entre o centro do feixe do satélite e ao plano
tangencial à superfície terrestre
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Base Teórica : Balanço de Potência (Link budget)
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
24 

=
c
frL π
L: Perda
f: freqüência da portadora
r: distância
c: velocidade da luz
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Base Teórica : Atenuação Atmosférica
Atenuação do
sinal em % Exemplo: sistemas de satélite em 4-6 GHz
ε
Absorção por chuva
Absorção por nevoeiro
Absorção 
atmosférica
50
40
30
20
10
5° 10° 20° 30° 40° 50°
Elevação do satélite
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Órbitas I
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
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Órbitas II
Terra
km
35768
10000
1000
GEO (Inmarsat)
HEO MEO (ICO)
LEO 
(Globalstar,
Irdium)
Cinturões de 
Van Allen interno e
externo
Cinturões de Van-Allen (Partículas ionizadas):
2000 - 6000 km e 15000 - 30000 km acima da superfície 
terrestre (impróprias para projeto de órbitas)
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Satélites Geo-Estacionários (GEO)
Órbitas de 35.786 km distantes da superfície terrestre, órbitas no plano
equatorial (inclinação 0°)
Î 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)
Î Não são adequados para cobertura global para pequenos telefones móveis e 
transmissão de dados, geralmente são usados para transmissão de Rádio e 
TV
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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 8anos – 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
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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
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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
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Localização de Estações-Móveis
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): 
z designação de satélite para uma estação móvel
z 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
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Handover em Sistemas via Satélite
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)
z Handover de um spotbeam (pequenas células) para outro
z Estação móvel ainda no footprint do satélite, mas em outra célula
‰ Handover entre satélites
z Handover de um satélite para outro satélite
z Estação móvel deixa o footprint de um satélite
‰ Handover entre Gateway
z Handover de um gateway para outro
z Estação móvel ainda no footprint de um satélite, mas o gateway deixa o footprint
do mesmo
‰ Handover entre sistemas (Inter-system)
z Handover da rede de satélites para uma rede celular terrestre
z Estação móvel pode usar uma rede terrestre por oferecer um serviço mais barato, 
uma menor latência, etc.
z Handover contínuo entre satélites e sistemas terrestres ainda não é possível
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Comparação entre Sistemas LEO/MEO
 
 Iridium Globalstar ICO Teledesic 
# satélites 66 + 6 48 + 4 10 + 2 288 
Altitude (km) 780 1414 10390 aprox. 700 
Cobertura global ±70° latitude global global 
Elevação 
mínima 
8° 20° 20° 40° 
Freqüências 
[GHz] 
1.6 MS 
29.2 ↑ 
19.5 ↓ 
23.3 ISL 
1.6 MS ↑ 
2.5 MS ↓ 
5.1 ↑ 
6.9 ↓ 
2 MS ↑ 
2.2 MS ↓ 
5.2 ↑ 
7 ↓ 
19 ↓ 
28.8 ↑ 
62 ISL 
Método de 
Acesso 
FDMA/TDMA CDMA FDMA/TDMA FDMA/TDMA 
ISL sim não não sim 
Taxa de bits 2.4 kbit/s 9.6 kbit/s 4.8 kbit/s 64 Mbit/s ↓ 
2/64 Mbit/s ↑ 
# canais 4000 2700 4500 2500 
Tempo de 
Vida [anos] 
5-8 7.5 12 10 
Custo 
Estimado 
4.4 B$ 2.9 B$ 4.5 B$ 9 B$ 
 
	Redes Móveis:Sistemas de ComunicaçõesVia-Satélites
	História das Comunicações Via-Satélites
	Aplicações
	Sistemas de Satélites Clássicos
	Base Teórica
	Base Teórica : Período de Satélite e órbitas
	Base Teórica
	Base Teórica : Inclinação
	Base Teórica : Elevação
	Base Teórica : Balanço de Potência (Link budget)
	Base Teórica : Atenuação Atmosférica
	Órbitas I
	Órbitas II
	Satélites Geo-Estacionários (GEO)
	Sistemas LEO
	Sistemas MEO
	Roteamento
	Localização de Estações-Móveis
	Handover em Sistemas via Satélite
	Comparação entre Sistemas LEO/MEO