APRESENTAÇÃO DA EVOLUÇÃO DAS COMUNICAÇÕES POR SATELITE

Prévia do material em texto

Sistemas de Comunicações
COMUNICAÇÕES VIA 
SATÉLITE
Fernando Pereira Paula Queluz
Instituto Superior Técnico
Sistemas de Comunicações
Estrutura de um Sistema de Comunicação 
Via Satélite
Rede Terrestre Rede Terrestre
Interface Terrestre
Interface de Utente Utente
Estação 
de Terra Estação 
de Terra
Sistemas de Comunicações
Comunicações Via Satélite: Serviços 
 Telecomunicações
 Comunicações pessoais
 Difusão 
 Posicionamento (GPS -Global Positioning System)
 Detecção remota
 Estudo da Terra
 Meteorologia
 Apoio à agricultura
 Espionagem
Sistemas de Comunicações
Serviços Móveis, Fixos e de Difusão
Serviços fixos por satélite (Fixed Satellite 
Services, FSS), p.e. INTELSAT, EUTELSAT 
Serviços móveis por satélite (Mobile 
Satellite Services, MSS), p.e. INMARSAT 
Serviços de difusão por satélite 
(Broadcast Satellite Services, BSS), p.e. 
EUTELSAT, ASTRA 
Sistemas de Comunicações
Competindo com a Fibra Óptica …
Sistemas de Comunicações
Comunicações Via Satélite 
 Vantagens
 Ligações a grande distância utilizando um único repetidor (o satélite).
 Vastidão da zona de cobertura (continente, país, ou região de um país).
 Ausência de condutas, postes ou outros requisitos logísticos.
 Cobertura de zonas de difícil acesso, onde instalações fixas são 
impraticáveis ou onde as infra-estruturas de telecomunicações são 
inexistentes.
 Comunicações móveis sem fios, independentemente da localização 
(aéreas, marítimas ou pessoais); serviços únicos de apoio à navegação e à 
aeronáutica.
 Baixo custo por receptor adicionado.
 Desvantagens
 Grande atraso introduzido (~ 300 ms por salto, para os satélites GEO)
 Custo do satélite e do seu lançamento.
 Difícil manutenção.
Sistemas de Comunicações
Breve Resenha Histórica (1)
 1945 – Arthur C. Clarke sugere, num artigo publicado na revista Wireless 
World, a possibilidade de comunicações “globais” através do uso de 3 satélites 
em órbita geoestacionária;
 1954 – A Lua é utilizada como repetidor passivo, mantendo-se um serviço 
regular para transmissão de voz entre o Haway e Maryland, no período 1956-
1962;
 1957 – É lançado o Sputnik I, o primeiro satélite Russo, com órbita a 950 km 
de altura. Manteve-se operacional durante 62 dias. EUA “aceleram” programa 
espacial;
 1958 – É lançado o Explorer I, o primeiro satélite americano. Manteve-se 
operacional durante 5 meses;
 1964 – Estabelece-se a International Telecommunications Satellite
(INTELSAT), organização internacional na qual Portugal esteve representado 
através da Marconi.
 1965 – É lançado o primeiro satélite da INTELSAT, conhecido como Early 
Bird ou Intelsat I;
 (...)
Sistemas de Comunicações
Breve Resenha Histórica (2)
 A concorrência Rússia-EUA levou à 
intensificação das investigações e ao 
lançamento de novos satélites. Em 
1975, existem várias redes de satélites 
para comunicações comerciais: 
INTELSAT, MARISAT, 
INMARSAT, ....
 (...)
 1998 – Aparecem as primeiras redes 
de satélite com cobertura global: 
IRIDIUM (66 satélites) e 
GLOBALSTAR (48 satélites).
Torna-se possível a comunicação 
entre quaisquer dois pontos da 
Terra, utilizando terminais 
portáteis.
Sistemas de Comunicações
Projecto de um Satélite
 O lançamento de um satélite em órbita geoestacionária implica que este deva ser 
acelerado até uma velocidade de 3070 m/s numa órbita equatorial a 42242 km do 
centro da Terra.
 Existem essencialmente 2 tecnologias para lançar um satélite:
 Foguetões, tipo Ariane (Europa) 
 Veículos tripulados, tipo Space Shuttle (EUA)
 O custo e as limitações do lançamento levam a que este seja normalmente feito usando 
2 passos. A latitude do local de lançamento determina a inclinação da órbita de 
transferência e logo o gasto de energia na correcção da inclinação.
 O peso do satélite determina fortemente o seu tempo de vida e a sua capacidade de 
transmissão. A forma do satélite é fortemente determinada pelo esquema de correcção 
da órbita e pela área mínima de painéis solares.
 O Space Shuttle tem as vantagens e desvantagens de um veículo tripulado: intervenção 
no espaço, limitações físicas no lançamento, veículo recuperável, maior capacidade de 
transporte. 
 A duração dos eclipses do satélite pode atingir 70 minutos por dia o que põe problemas 
à potência de emissão no satélite.
Sistemas de Comunicações
Evolução das Comunicações Via Satélite
Peso, 
Tamanho
Sistemas de Comunicações
Evolução dos Satélites INTELSAT
Sistemas de Comunicações
Evolução dos Satélites INTELSAT (cont.)
Sistemas de Comunicações
Arquitectura dum satélite de comunicações 
Sistemas de Comunicações
Arquitectura (cont.)
Sistemas de Comunicações
Exemplo: Intelsat VI
Telecommunications satellites have simplified the placement of transoceanic calls, and that simplicity has resulted in such an increase in overseas calls that the size and 
Sistemas de Comunicações
Exemplo: “Kizuna”
Satélite de comunicações Japonês, lançado em 2008
Sistemas de Comunicações
Bandas de Frequência Utilizadas
 As bandas de frequência a utilizar nas comunicações por satélite são 
definidas pela ITU-R e atribuídas aos vários serviços pela WARC 
(World Administrative Radio Conference), um sub-grupo da ITU-R. 
 As bandas de frequência do espectro radioelétrico mais favoráveis 
para as comunicações via satélite, situam-se entre 1 GHz e 10 GHz, já 
que:
 a absorção pelos gases da atmosfera, ou pela chuva, tem pouca 
importância nesta faixa de frequências;
 o ruído, quer galáctico quer produzido pelo Homem, é mais intenso para 
frequências mais elevadas;
 bom desenvolvimento tecnológico para estas frequências (tecnologia 
madura);
 atenuação em espaço livre inferior à verificada para frequências mais 
elevadas.
Sistemas de Comunicações
 O elevado número de serviços 
terrestres na faixa 1-10 GHz e a 
ocupação desta faixa por vários 
serviços de satélite, conduziu à 
utilização de bandas de 
frequências superiores aos 10 
GHz, existindo actualmente 
serviços comerciais nas bandas 
Ku e Ka.
 De notar que, devido às 
limitações de potência no 
satélite, o percurso descendente 
é mais crítico que o ascendente, 
justificando que lhe sejam 
usualmente atribuídas bandas 
de frequências mais baixas que 
as utilizadas para o percurso 
ascendente.
 
Nome da Banda Gama de Frequência 
HF-band 1.8-30 MHz 
VHF-band 50-146 MHz 
P-band 0.230-1.000 GHz 
UHF-band 0.430-1.300 GHz 
L-band 1.530-2.700 GHz 
S-band 2.700-3.500 GHz 
C-band Downlink: 3.700-4.200 GHz 
Uplink: 5.925-6.425 GHz 
X-band Downlink: 7.250-7.745 GHz 
Uplink: 7.900-8.395 GHz 
Ku-band (Europe) Downlink: FSS: 10.700-11.700 GHz 
DBS: 11.700-12.50 0 GHz 
Uplink: FSS: 14.000-14.800 GHz; 
DBS: 17.300-18.100 GHz 
Ku-band (America) Downlink: FSS: 11.700-12.200 GHz 
DBS: 12.200-12.700 GHz 
Uplink: FSS: 14.000-14.500 GHz 
DBS: 17.300-17.800 GHz 
Ka-band Roughly 18-31 GHz 
Sistemas de Comunicações
Órbitas Típicas para Satélites de 
Comunicação
Órbitas  circulares:
 GEO – geostationary Earth orbit
( 36 000 km de altitude)
 MEO – medium Earth orbit ( 5 000 
a 15 000 km de altitude)
 LEO – low Earth orbit (700 a 900 
km de altitude)
Órbitas elípticas:
 HEO – high elliptical orbit
Sistemas de Comunicações
Cinturas de Van Allen
Existem duas zonas de elevada radiação – cinturas de Van Allen – à 
distância da Terra de 1500-5000 km e 15000-20000 km. A radiação 
existente nestas zonas deteriora fortementeo equipamento dos 
satélites, impossibilitando a utilização de satélites em órbita nessas 
zonas.
Abaixo dos 200 km não é tecnicamente possível a manutenção de um 
satélite, devido ao seu baixo tempo de vida por deterioração e 
aquecimento.
Sistemas de Comunicações
Características das Órbitas GEO, LEO e 
HEO
Sistemas de Comunicações
A Órbita (versão simplificada para órbitas circulares)
Considerando que estão em presença a Terra e o satélite, deve ter-se em 
conta
 FORÇA DE ATRACÇÃO entre 2 corpos (Lei de Newton) 
fa = k M m / r
2 
onde k é a constante de gravitação, M a massa da Terra, m a massa do 
satélite e r a distância entre os 2 centros de massa (raio da órbita)
 FORÇA CENTRÍFUGA provocada pelo movimento de translacção
fc = m 
2 r
onde  é a velocidade angular da órbita (rad. s-1)
Sistemas de Comunicações
A Órbita (versão simplificada para órbitas circulares)
Para que a órbita seja estável, é necessário que as 2 forças em presença se 
equilibrem ou seja
fa = fc
o que implica que 
r3 = k M / 2
ou
r3 (km) = 5075, 6277 T 2 (hora)
 r (km) = 5075, 6277 T 2/3 (hora)
que corresponde ao enunciado da 3ª Lei de Kepler: o cubo do raio da 
órbita é proporcional ao quadrado do respectivo período.
Sistemas de Comunicações
Satélite Geosíncrono
Um satélite diz-se geosíncrono quando tem um período orbital igual ao 
período de rotação da Terra ou seja T = 23 h 56 min 4.1 s.
O período de rotação da Terra vale
T = (360
o + ) / 24 com  = 360o /365.25 => T = 360o / T  23.9345 h
Como r (km) = 5075, 6277 T 2/3 (hora) então:
T= 12 h  r = 26604 km  Alt. = 22231 km
T= 23.9345 h  r = 42154 km  Alt. = 35781 km
T= 24 h  r = 42231 km  Alt. = 35858 km
Sistemas de Comunicações
Satélite Geoestacionário
 No contexto das órbitas possíveis, tem especial interesse para as 
Telecomunicações a órbita geoestacionária que
 É geosíncrona ou seja tem uma duração igual ao período de rotação da 
Terra
 É equatorial ou seja situa-se no plano do Equador
 Os satélites com órbita geoestacionária têm a propriedade de, 
observados a partir da Terra, parecerem imóveis no espaço. 
Sistemas de Comunicações
Ângulo de fogo da antena de Terra
O ângulo de fogo com que a estação de Terra „olha‟ o satélite deve ser 
superior a 0o (Intelsat especifíca  > 5o) para que: 
 A Terra não obstrua a visão do satélite
 O percurso na atmosfera seja minimizado
 A contribuição da presença da Terra no ruído do receptor na estação de Terra 
seja limitada 





 

)sin(
/)cos(
arctan
l
rrl T
 : ângulo de fogo
l : latitude da estação
rT : raio da Terra 
r : raio da órbita






o
ol
7.8
3.81
0


Sistemas de Comunicações
Cobertura da Terra por Satélite
 Um satélite em órbita geoestacionária pode comunicar com estações de 
Terra situadas numa zona correspondente à intersecção de um cone com 
vértice no satélite e semiabertura de  = 8.7o e a própria Terra.
 Zona coberta na Terra entre 81.3o N e 81.3o S.
 Se se excluirem as zonas polares, é possível com 3 satélites em órbitas 
geoestacionárias cobrir praticamente toda a superfície da Terra.
Sistemas de Comunicações
Cobertura da Terra por Satélite: INMARSAT
Sistemas de Comunicações
Sistemas de Comunicações
Rede Intelsat
10-02 @ 3590 E
Sistemas de Comunicações
10-02 @ 3590 E
Sistemas de Comunicações
Ku-band Spot 1
Sistemas de Comunicações
Especificações (Intelsat)
EIRP do satélite
Factor de Mérito da estação de Terra
Densidade de potência a colocar no satélite
Sistemas de Comunicações
Parâmetros Relevantes
 Satélite – Potência Isotrópica Equivalente Radiada ou Equivalent Isotropic 
Radiate Power (EIRP)
EIRP = Ps + Gs [dBm, dBW]
equivale à potência radiada por uma antena isotrópica
 Estação de Terra – Densidade de potência a colocar no satélite
= PT + GT – 10 log10 (4  d
2) [dBW/m
2]
 Estação de Terra - Factor de Mérito (G/T)
(G/T) = 10 log10 (gT /Teq) [dB/K]
onde Teq é a temperatura equivalente de ruído da estação de Terra e gT é o 
ganho da antena da estação de Terra.
Sistemas de Comunicações
Temperatura equivalente de ruído
Considere-se o quadripolo
onde
 g – ganho de potência 
 BW – largura de banda equivalente de ruído
 F – factor de ruído
 Ti – temperatura da fonte de ruído (térmico) na entrada
Tem-se
 so=g si
 ni = k Ti BW (k=1.3810
-23 J/K – constante de Boltzman)
 no=g ni+nint onde nint é o ruído gerado pelo quadripolo
 F = (s/n)i / (s/n)o = 1+ nint /(gni) = 1+ nint /(gk Ti BW )=1+Te /Ti
F=1+ Te /Ti , onde Te é a temperatura equivalente de ruído do quadripolo
e Te= nint /(gkBW )
Ti
g, Bw, F
so ,nosi ,ni
Dimensão: Kelvin
Sistemas de Comunicações
Temperatura equivalente de ruído (cont.)
 F=1+ Te /Ti : factor de ruído; Fo=1+ Te /To : factor de ruído padrão
 Como no=g ni+nint  no=g k Ti BW + g k Te BW = g k BW (Ti +Te)
Ti g, Bw, F g, Bw
ideal
Ti
Te
Associação em cadeia de quadripolos
Ti g1, F1 g2, F2 g3, F3
g1 g2 g3
Ti
Tcadeia=
ideais
21
3
1
2
1
gg
T
g
T
T eee 
Temperatura padrão (290 K)
Sistemas de Comunicações
Temperatura Equivalente de Ruído da 
Estação de Terra 
 Para avaliar o desempenho da ligação no percurso descendente, é necessário
calcular o ruído térmico total introduzido pela cadeia de elementos activos e/ou
passivos da estação receptora, bem como o ruído térmico captado pela antena. 
Para isso, define-se a Temperatura equivalente de ruído da estação, Teq
 Ta – temperatura de ruído captada pela antena
 F – factor de ruído da cadeia de quadripolos que constituem a estação
 Ter – temperatura equivalente de ruído da cadeia de quadripolos, referida aos terminais de 
entrada da cadeia
 Bw – largura de banda equivalente de ruído da cadeia
 (s/n)i, (s/n)o– relação sinal-ruído à entrada e à saída da cadeia
 gT – ganho da antena da estação de Terra
 gc – ganho da cadeia
 Teq = (Ta + Ter) – temperatura equivalente de ruído da estação de Terra
Guia Receptor
Ta
F, T
er
, B
w
, gc
gT Pré -
amplificador
(G/T) = 10 log10 (gT /Teq) (dB/K)
Factor de mérito
Sistemas de Comunicações
Temperatura Equivalente de Ruído da 
Estação de Terra (cont.)
 Como atrás se deduziu:
no = gc k Teq Bw
Nota: k=1.3810-23 J/K – constante de Boltzman
 A temperatura equivalente de ruído da estação é Teq=Ta+Ter e o ruído na
recepção, referido aos terminais de entrada, pode ser calculado por:
n = k Teq Bw
 O parâmetro (G/T) = 10 log10 (gT /Teq) (dB/K)
permite caracterizar o desempenho da estação de Terra, sendo designado
por Factor de Mérito da estação.
Sistemas de Comunicações
O Percurso Ascendente - Uplink
 O percurso ascendente é o percurso entre a estação de Terra emissora e o satélite, 
receptor. Este percurso é menos crítico que o percurso descendente e por isso 
funciona normalmente a uma frequência mais elevada, p.e. 6/4 GHz ou 14/11 GHz.
 A densidade de potência colocada no satélite pela estação de Terra é
= PT + GT – 10 log10 (4  d
2) [dBW/m
2]
 Do ponto de vista do ruído, o satélite comporta-se como um simples amplificador 
com um certo ganho e factor de ruído. 
 Para cada satélite e gama de frequência, a INTELSAT especifica a densidade de 
potência a colocar no satélite.
ascendente descendente
Sistemas de Comunicações
Especificações (Intelsat)
EIRP do satélite
Factor de Mérito da estação de Terra
Densidade de potência a colocar no satélite
Sistemas de Comunicações
O Percurso Descendente - Downlink O percurso descendente é o percurso entre o satélite emissor e 
a estação de Terra, receptora. Este percurso é o mais crítico 
devido às limitações de potência no satélite.
 A relação sinal-ruído na estação de Terra (considerando apenas o percurso 
descendente) vem:
C/N=PS + GS + GT – Lfs - 10 log10 (KTeqBw)=EIRP + G/T - Lfs - 10 log10 (KBw) 
 A atenuação do percurso é normalmente calculada para a situação mais 
desfavorável ou seja para os ângulos de fogo mais baixos. A INTELSAT 
especifica um ângulo de fogo mínimo de 5o para o qual se tem d=41118 km.
 Sendo EIRP e G/T especificados pela INTELSAT para cada gama de frequência, 
C/N fica essencialmente dependente da largura de banda.
 Nas comunicações via satélite, o desvanecimento deixa de ser importante devido 
ao ângulo com que se atravessa a atmosfera mas a atenuação da chuva continua 
a ser relevante.
 Para ligações via satélite digitais, a qualidade de referência é normalmente uma 
taxa de erros de 10-6.
Sistemas de Comunicações
Relação C/N Global do Sistema
 A relação sinal-ruído do sistema global, (c/n)T, e que determina a taxa de erros 
binários (BER) na estação de Terra, pode-se relacionar com as relações sinal-ruído 
para cada um dos percursos considerados de forma independente:
 (c/n)a – relação sinal-ruído no percurso ascendente;
 (c/n)d – relação sinal-ruído no percurso descendente, calculada como atrás 
exposto, i.e., de forma independente do percurso ascendente;
 (c/n)T – relação sinal-ruído global na estação de Terra, i.e., considerando o 
efeito combinado dos dois percursos.
 Uma vez que a relação sinal-ruído do sistema resulta do “paralelo” das relações 
sinal-ruído em cada um dos percursos, o desempenho global do sistema é 
normalmente condicionado pelo percurso com a relação sinal-ruído mais baixa.
1
11 )()()(








 daT
n
c
n
c
n
c
Sistemas de Comunicações
Porquê o paralelo das relações c/n ?
 na – potência do ruído introduzido no 
percurso ascendente 
 pra – potência do sinal recebido no 
percurso ascendente 
 nd – potência do ruído introduzido no 
percurso descendente
 prd – potência do sinal recebido no 
percurso descendente 
 nT – potência do ruído total na estação de 
Terra
 g – ganho do amplificador do satélite
 gS – ganho da antena emissora do satélite
 gT – ganho da antena receptora da estação 
de Terra
 lfs – a atenuação em espaço livre no 
percurso descendente
g
R
pra ; na
gS
gT
lfs
prd ; nT
Sistemas de Comunicações
a
ra
a
n
p
n
c
)(
fs
TS
ra
fs
TS
rard
l
gg
L
gLp
l
gg
gpp


com 
d
ra
d
rd
d
n
gLp
n
p
n
c
)(
1
11 )()( 
//
1
 
)/()(
1
 
)(


















da
radraa
rada
da
ra
T
rd
T
n
c
n
c
gLpnpn
gLpngLn
ngLn
gLp
n
p
n
c
 Relação sinal-ruído no percurso ascendente:
 Potência de sinal recebido no percurso descendente:
 Relação sinal-ruído no percurso descendente:
 Relação sinal-ruído do sistema global:
g
R
p ra ; na
gS
gT
lfs
p rd ; nT
Sistemas de Comunicações
Níveis de 
Potência de 
Sinal
Link Power Budget
Exemplo para um 
satélite INTELSAT
Saída da Terra
Chegada 
ao satélite
Saída do 
satélite
Chegada à Terra
Sistemas de Comunicações
O Sistema de Comunicações
 O sistema de comunicações é a 
componente principal de um 
satélite de comunicações ainda 
que possa não constituir a parcela 
maior em termos de peso e 
volume.
 O sistema de comunicações é 
basicamente constituído por uma 
ou mais antenas e um conjunto de 
receptores e emissores que 
recebem, amplificam e 
retransmitem os sinais.
 As unidades básicas de recepção-
emissão são conhecidas como 
transpositores (transponders). INTELSAT V
Sistemas de Comunicações
Arquitectura de um Transpositor
Existem vários transpositores por satélite, cada um a operar numa 
fracção da banda disponível. Por exemplo, o INTELSAT IV tem 12 
transpositores de 36 MHz cada.
Transpositor (transponder)
Front end
Translacção
de
frequência
Amplificador
fa
fd
G  80 – 100 dB
(vários andares de amplificação)
Sistemas de Comunicações
O Acesso Múltiplo
 O acesso múltiplo corresponde à possibilidade de um elevado número de 
estações de Terra comunicarem simultaneamente através do mesmo satélite.
 O acesso múltiplo influencia todos os blocos do sistema, determina a sua 
capacidade e flexibilidade e é fundamental para o seu custo e rentabilidade.
 O problema básico em questão é como permitir a um grupo variável no 
tempo de estações o uso simultâneo dos recursos do satélite de modo a 
optimizar:
 Capacidade do satélite 
 Utilização do espectro
 Potência do satélite
 Interconectividade
 Flexibilidade
 Adaptabilidade a ‘misturas’ de tráfego
 Custo
 Aceitação do utente
Como a optimização 
simultânea de todas 
estas variáveis é 
impossível, trata-se de 
encontrar o 
compromisso possível 
entre elas !
Sistemas de Comunicações
Técnicas de Acesso Múltiplo
 O acesso múltiplo corresponde à possibilidade de um elevado número de 
estações de Terra comunicarem simultaneamente através do mesmo satélite.
Existem 3 técnicas principais de acesso múltiplo:
 Acesso múltiplo por divisão na frequência (Frequency Division Multiple Access, 
FDMA) – todas as estações usam o satélite ao mesmo tempo mas cada uma usa 
uma gama de frequência diferente (comum em transmissão analógica).
 Acesso múltiplo por divisão no tempo (Time Division Multiple Access, TDMA)
– as estações transmitem à vez (numa dada gama de frequência) usando os 
„slots‟ no tempo que lhe foram atribuídos (comum em transmissão digital).
 Acesso múltiplo por divisão no código (Code Division Multiple Access, CDMA)
– várias estações transmitem simultaneamente na mesma frequência sinais 
„espalhados no espectro‟, codificados ortogonalmente; a recuperação de um 
sinal implica o conhecimento do código usado para „espalhar‟ o sinal no 
espectro.
Sistemas de Comunicações
FDMA, TDMA e CDMA
Sistemas de Comunicações
FDMA
Sistemas de Comunicações
TDMA
Sistemas de Comunicações
CDMA
Sistemas de Comunicações
CDMA (cont.)
Sistemas de Comunicações
Notas finais
 Os satélites têm vindo a assumir um papel cada vez mais variado em 
termos de serviços prestados, p.e. comunicações fixas, móveis e de 
difusão. Este papel tem variado ao longo do tempo e dependerá sempre 
das alternativas terrestres, guiadas ou não guiadas, que existirem em 
cada momento (e das suas características).
 Os satélites permitem facilmente coberturas vastas e em zonas de 
difícil acesso mas têm a desvantagem do atraso devido às grandes 
distâncias percorridas.
 A tecnologia para lançamento de satélites é cara e complexa mas 
existem cada vez mais países capazes de o fazer.
Sistemas de Comunicações
E no futuro ...
http://telecom.esa.int/telecom/www/object/index.cfm?fobjectid=29325
Sistemas de Comunicações
Bibliografia
 Principles of Communications Satellites, Gary D. Gordon, 
Walter L. Morgan, John Wiley & Sons, 1993