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SATÉLITES DE COMUNICAÇÕES
Os satélites de comunicações possuem algumas propriedades interessantes, que os tornam atraentes para muitas aplicações. Em sua forma mais simples, um satélite de comunicações pode ser considerado um grande repetidor de microondas no céu. Ele contém diversos transponders; cada um deles ouve uma parte do espectro, amplifica os sinais de entrada e os transmite novamente em outra freqüência, para evitar interferência com o sinal de entrada. Os feixes descendentes podem ser largos, cobrindo uma fração substancial da superfície terrestre, ou estreitos cobrindo uma área com apenas centenas de quilômetros de diâmetro. Esse modo de operação ou funcionamento é conhecido como espelho (bent pipe).
De acordo com a lei de Kepler, o período orbital de um satélite varia de acordo com o raio da órbita elevado à potência 3/2. Quanto mais alto o satélite, mais longo o período. Perto da superfície da Terra, o período é de cerca de 90 minutos. Conseqüentemente, os satélites de baixa órbita saem de visão com bastante rapidez, e assim são necessários muitos deles para proporcionar cobertura contínua. A uma altitude de aproximadamente 35.800 km, o período é de 24 horas. Na altitude de 384.000 km, o período é de cerca de um mês, como pode atestar qualquer pessoa que observe a Lua regularmente.
O período do satélite é importante, mas não é o único fator para se determinar onde posicioná-Io. Outra questão é a presença dos cinturões de Van Allen, camadas de partículas altamente carregadas que são capturadas pelo campo magnético terrestre. Qualquer satélite em órbita dentro deles seria destruído com bastante rapidez pelas partículas carregadas com alta energia presas pelo campo magnético da Terra. Esses fatores nos levam a identificar três regiões nas quais os satélites podem ser posicionados com segurança. Essas regiões e algumas de suas propriedades estão ilustradas na figura abaixo.
Engenharia Electrónica e de Telecomunicações
Sistema de Comunicação Móvel e por Satélite
FIG 01- Satélites de comunicações e algumas de suas propriedades
3.1 – SATÉLITES GEOESTACIONÁRIOS
Em 1945, o escritor de ficção científica Arthur C. Clarke calculou que um satélite na altitude de 35.800 km em órbita circular equatorial pareceria permanecer imóvel no céu, e assim não precisaria ser rastreado. Ele continuou a descrever um sistema de comunicação completa que usava esses satélites geoestacionários ou satélites geossíncronos , incluindo as órbitas, os painéis solares, as freqüências de rádio e os procedimentos de lançamento. Infelizmente, ele concluiu que os satélites eram impraticáveis devido à impossibilidade de colocar em órbita amplificadores a válvulas, frágeis e ávidos por energia; assim, nunca levou sua idéia adiante, embora tenha escrito algumas histórias de ficção científica sobre ela.
A invenção do transistor mudou tudo isso, e o primeiro satélite artificial de comu- nicações,chamado Telstar, foi lançado em julho de 1962. Desde então, os satélites de comunicações se transformaram em um negócio de vários bilhões de dólares, e o único aspecto do espaço sideral que se tornou altamente lucrativo. Esses satélites de alta órbita são chamados com freqüência satélites GEO (Geoestationary Earth Orbit).
operação mais sofisticada. Nos primeiros satélites, a divisão dos transponders em canais era estática: a largura de banda era simplesmente dividida em bandas de freqüências fixas. Hoje em dia, o feixe de cada transponder é dividido em slots de tempo, com diversos usuários realizando turnos de atividades (multiplexação por divisão de tempo).
Alguns países sustentam que os direitos nacionais de propriedade não estendem para cima até a Lua e que nenhum país tem direito legal sobre os slots de órbita acima de seu território. Para aumentar a disputa, as telecomunicações comerciais não são a única aplicação. Emissoras de televisão, governos e instituições militares também querem ter uma fatia da grande torta orbital. Para evitar o caos total no céu, a alocação de slots de órbita é feita pela ITU.
Os satélites modernos podem ser bastante grandes, pesando até 4.000 kg e consumindo vários quilowatts de energia elétrica produzida pelos painéis solares. Os efeitos da gravidade solar, lunar e planetária tendem a movê-Ios para fora de seus slots de órbita e de suas orientações, um efeito compensado por motores de foguetes a bordo. Essa atividade de ajuste fino é chamada manutenção da estação. Porém, quando o combustível para os motores tiver se esgotado, em geral no período de 10 anos, o satélite fica sem controle, e portanto tem de ser desativado. Eventualmente, a órbita decai e o satélite entra de novo na atmosfera e é queimado ou, às vezes, colide com a Terra.
Freqüências
Os slots de órbita não são o único ponto de discórdia. As freqüências também são, porque as transmissões do satélite para a Terra (downlink) interferem com usuários de microondas. Conseqüentemente, a ITU alocou certas bandas de freqüência para usuários de satélites. As principais estão listadas na Tabela a seguir. A banda C foi a primeira a ser designada para tráfego comercial de satélite. Duas faixas de freqüências são atribuídas nessa banda, a inferior para tráfego downlink (do satélite) e a superior para tráfego uplink (para o satélite). Para permitir que o tráfego ocorra em ambos os sentidos ao mesmo tempo, são necessários dois canais, um para cada sentido. Essas bandas já estão sobrecarregadas, porque também são usadas pelas concessionárias de telecomunicações nos enlaces terrestres de microondas. As bandas L e S foram acrescentadas por um acordo internacional de 2000. Porém, elas são estreitas e estão
lotadas.
Banda Downlink Uplink Largura debanda Problemas L 1,5 GHz 1,6 GHz 15 MHz Baixa largura de banda; lotada S 1,9 GHz 2,2 GHz 70 MHz Baixa largura de banda; lotada C 4,0 GHz 6,0 GHz 500 MHz Interferência terrestre Ku 11 GHz. 14 GHz 500 MHz Chuva Ka 20 GHz 30 GHz 3.500 MHz Chuva; custo do equipamento
A próxima banda mais alta disponível para concessionárias de telecomunicações comerciais é a banda Ku (K under). Essa banda (ainda) não está congestionada e, nessas freqüências, os satélites podem ficar à distância de apenas 1 grau. Entretanto, existe um outro problema: a chuva. A água é um grande absorvente dessas microondas curtas. Felizmente, em geral as tempestades fortes costumam ser localizadas; assim, o uso de várias estações terrestres separadas por uma grande distância, em lugar de apenas uma, contorna o problema, mas ao preço de antenas, cabos e equipamentos eletrônicos extras para permitir a comutação rápida entre estações. Na banda Ka (K above) também foi alocada largura de banda para o tráfego de satélite comercial, mas o equipamento necessário para usá-Ia ainda continua caro. Além dessas bandas comerciais, também existem muitas bandas governamentais e militar. Internacionalmente, a banda mais popular é a banda Ku, pois permite cursar tráfego com antenas menores que as de banda C, devido ao fato das suas freqüências serem mais altas. Entretanto, devido ao mesmo fato, a transmissão em banda Ku é mais suscetível a interrupções causadas pela chuva. Dessa forma a banda C é mais popular em países tropicais. Os satélites de comunicações têm diversas propriedades radicalmente diferentes dos enlaces terrestres ponto a ponto. Para começar, embora os sinais enviados e recebidos por um satélite trafeguem à velocidade da luz (aproximadamente 300. km/s), a longa distância de ida e volta introduz um retardo substancial para os satélites GEO. Dependendo da distância entre o usuário e a estação terrestre, e também da elevação do satélite acima do horizonte, o tempo total de trânsito está entre 250 e 300
VSAT
A estação terrena mais popular que existe é a VSAT, uma abreviatura para Very Small Aperture Terminal. Geralmente são estações com antenas variando de 80 cm a 2 metros e pouco de diâmetro.
Um novo desenvolvimento no mundo dos satélites de comunicações é a criação de micro-estações de baixo custo, às vezes chamadas VSATs - Very Small Aperture Terminais (Abramson, 2000). Esses pequenos terminais têm antenas de 1 metro ou menores (em comparação com 10 metros para uma antena de GEO padrão) e podem emitir cerca de 1 watt de energia. Geralmente, o uplink é adequado para 19,2 kbps, mas o downlink com freqüência exige 512 kbps ou mais. A televisão de difusão direta por satélite utiliza essa tecnologia na transmissão de mão única.
Arquitetura
Uma rede VSAT é composta de um número de estações VSAT e uma estação principal (“hub station”).
A estação principal dispõe de antena maior e se comunica com todas as estações VSAT remotas, coordenando o tráfego entre elas. A estação “hub” também se presta como ponto de interconexão para outras redes de comunicação.
Topologias
Existem duas topologias de redes VSAT: a estrela e a malha (“mesh”). Na topologia em estrela as estações VSAT se comunicam exclusivamente com a estação “hub” e na topologia em malha há comunicação direta entre as VSATs. Na topologia em estrela, para uma estação VSAT se comunicar com outra estação do mesmo tipo deve se comunicar com a estação “hub” e esta retransmitir o sinal para a outra estação VSAT, ocorrendo nesse caso o fenômeno denominado de duplo salto, pois o sinal vai e volta duas vezes do satélite.
Constituição Física
Uma estação VSAT é composta de duas unidades físicas distintas, a Unidade Externa (ODU – “outdoor unit”) e a Unidade Interna (IDU – “indoor unit”). Na ODU fica a antena, o alimentador e a parte de RF, o transmissor e o receptor propriamente dito. Na IDU fica toda a parte de banda básica, constituída essencialmente do modem. A IDU se conecta à ODU por meio de cabos coaxiais onde a transmissão é feita a nível de freqüência intermediária (FI), geralmente na faixa de 2 GHz. A distância máxima que a ODU pode ficar da IDU varia de 50 a 100 metros.
Alocação de canais
Para que uma estação VSAT se comunique é necessário que à mesma esteja associado um canal de RF. Essa associação pode ser permanente ou por demanda, variando dinamicamente. Quando a associação é permanente existe um canal fixo para cada VSAT e temos o método de alocação PAMA (“Permanent Assignment Multiple Acess”) ou acesso múltiplo com alocação permanente. Quando a alocação é dinâmica existe um “pool” de canais administrados pela estação “hub” do qual são alocados os canais para cada VSAT na medida em que sejam solicitados e para o qual são liberados ao término do uso. Neste caso temos o método de alocação DAMA (“Demand Assignment Multiple Access”) ou acesso múltiplo com alocação por demanda.
um sistema completo. Por outro lado, pelo fato de os satélites estarem muito próximos da Terra, as estações terrestres não precisam de muita potência, e o retardo de ida e volta (latência) é de apenas alguns milissegundos. Nesta seção, examinaremos três exemplos, dois deles destinados às comunicações de voz e um destinado ao serviço da Internet.
Iridium
Durante os primeiros 30 anos da era do satélite, os satélites de baixa órbita raramente eram usados para comunicação, porque apareciam e desapareciam de vista com muita rapidez. Em 1990, a Motorola deu início a um novo empreendimento e enviou um requerimento à FCC, solicitando permissão para lançar 77 satélites de baixa órbita do projeto Iridium (o elemento 17 é o irídio). Mais tarde, o plano foi revisto no sentido de se usar apenas 66 satélites assim, o projeto deveria ter seu nome alterado para Dysprosium (o elemento 66 é o disprósio), mas esse nome provavelmente lembrava muito mais uma doença do que um satélite. A idéia era que assim que um satélite estivesse fora de vista, outro o substituiria. Essa proposta criou uma agitação entre outras empresas de comunicações. De repente, todas elas quiseram lançar uma cadeia de satélites de baixa órbita.
Após sete anos reunindo parceiros e financiamentos, os parceiros lançaram os satélites Iridium em 1997. O serviço de comunicação se iniciou em novembro de 1998. Infelizmente, a demanda comercial por grandes e pesados telefones via satélite era desprezível, porque a rede de telefonia móvel (celular) havia crescido de modo espetacular desde 1990. Como conseqüência, o Iridium não gerou lucro e foi à bancarrota em agosto de 1999, em um dos mais espetaculares fiascos corporativos da história. Os satélites e outros bens (no valor de cinco bilhões de dólares) foram adquiridos mais tarde por um investidor por 25 milhões de dólares, em uma espécie de venda de garagem extraterrestre. O serviço Iridium foi reiniciado em março de
O objetivo básico do Iridium era (e ainda é) fornecer um serviço de telecomunicações de amplitude mundial por meio de dispositivos portáteis que se comunicam diretamente com os satélites Iridium. Há serviços de voz, dados, busca, fax e navegação em qualquer lugar do mundo, seja em terra mar e ar. Os clientes incluem
as indústrias marítima, de aviação e de exploração de petróleo, bem como pessoas que viajam para regiões do mundo que não têm uma infra-estrutura de telecomunicações (por exemplo, desertos, montanhas, selvas e alguns países do terceiro mundo).
Os satélites Iridium estão posicionados a uma altitude de 750 km, em órbitas polares circulares. Eles estão organizados em eixos norte-sul, com um satélite a cada 32 graus de latitude. Com seis eixos de satélites, toda a Terra é coberta, como sugere a Figura 1 (a). As pessoas com poucos conhecimentos de química podem pensar nessa disposição como um imenso átomo de disprósio, tendo a Terra como o núcleo e os satélites como elétrons.
Figura 1 (a) Os satélites Iridium formam seis eixos em torno da Terra. (b) 1. células móveis cobrem a Terra
Cada satélite tem no máximo 48 células (feixes pontuais), com um total de 1. células sobre a superfície da Terra, como mostra a Figura 1 (b). Cada satélite tem capacidade de 3.840 canais, ou 253.440 canais ao todo. Alguns deles são usados para busca e navegação, enquanto outros são empregados para dados e voz.
Uma propriedade interessante do Iridium é que a comunicação entre clientes distantes ocorre no espaço, com um satélite retransmitindo dados para o seguinte, como ilustra a Figura 2 (a). Na figura, vemos um chamador no Pólo Norte entrando em contato com um satélite situado diretamente acima dele. A chamada é retransmitida por outros satélites e, finalmente, chega ao destino no Pólo Sul.
(a) (b)
Satélites Geoestacionários
Empresas Detentoras de Direito de Exploração de Satélite Estrangeiro
Operador (Rep. Legal) Satélite^ Banda^
Posição Orbital
Em Operação Columbia Communications Corporation (Star One)
AMC-12 C 37,5º W Sim
Embratel France Telecom (Radiomar) Morviazsputnik (Omnilink) Stratos (Jabursat) Telenor Xantic
INMARSAT - 3 AOR EAST L e C^ 15,5º W^ Sim
INMARSAT - 3 AOR WEST-2 L e C^ 54,0º W^ Sim
Eutelsat
W1 Ku 10,0º W Sim ATLANTIC BIRD 1 Ku 12,5º W Sim ATLANTIC BIRD 2 Ku 8,0º W Sim ATLANTIC BIRD 3 C e Ku 5,0º W Sim
Hispasat (Hispamar)
HISPASAT - 1C Ku 30,0º W Sim HISPASAT - 1D Ku 30,0º W Sim
Intelsat
IS 705 C e Ku 50,0º W Sim IS 801 C 31,5º W Sim IS 805 C 55,5º W Sim IS 901 C 18,0º W Sim IS 903 C 34,5º W Sim IS 905 C 24,5º W Sim IS 907 C 27,5º W Sim IA-8 C e Ku 89º W Sim Loral Orion (Loral Skynet) TELSTAR 12^ Ku^ 15,0º W^ Sim Nahuelsat NAHUEL 1 Ku 72,0º W Sim
New Skies
NSS-806 C e Ku 40,5º W Sim NSS-7 C e Ku 21,5º W Sim
Panamsat
PAS 1R C e Ku 45,0º W Sim PAS-3R C 43º W Sim GALAXY III C Ku 95,0º W Sim PAS-9 Ku 58,0º W Sim PAS-6B Ku 43º W Sim Satmex SATMEX 5 C e Ku 116,8º W Sim SES AMC - 4 Ku 101,0º W Sim Telesat (Star One) ANIK F1^ Ku^ 107,3º W^ Sim
Bandas
As demominações para as Bandas utilizadas correspondem às faixas, ou partes das faixas, apresentadas na tabela a seguir
Banda Terra-espaço espaço-Terra C 5.850 - 6.425 MHz 3.625 - 4200 MHz
Ku 13,45 - 14,50 GHz 10,7 - 11,2 GHz11,45 - 12,20 GHz X 7.965 - 8.025 MHz 7.315 - 7.357 MHz Ka 29,5 - 30,0 GHz 19,7 - 20,2 GHz
L 1.626,5 - 1.645,5 MHz1.646,5 - 1.652,5 MHz
1.525 - 1.544 MHz 1.545 - 1.551 MHz 1.574,4 - 1.576,6 MHz
Satélites Não-Geoestacionários
Empresas Detentoras de Direito de Exploração de Satélite Estrangeiro
Empresa Sistema Em Operação Telespazio ORBCOMM Sim Globalstar GLOBALSTAR Sim Iridium IRIDIUM Nova autorização concedida em12/07/06 ato 59.
