g4 - Ligação via satélite e Métodos de acesso

• 4.1 - Princípios da ligação via satélite
• 4.1.1 - Balanço de potência – Atenuação
• 4.1.2 - Dimensionamento da relação Sinal – Ruído (C/N) da ligação
• 4.1.3 - Recepção em terra
• 4.1.4 - Factores de atenuação devido à atmosfera
• 4.1.5 - Fontes de ruído adicional e interferência
• 4.2 - Sistemas de múltiplo acesso
• 4.2.1 - FDMA – frequency division multiple Access
• 4.2.2 - TDMA – time division multiple access
• 4.2.3 - CDMA – code division multiple access
• 4.3 - Bandas – L, S, C, X, KU e KA
• 4.3.1 - Bandas L
• 4.3.2 - Bandas S
• 4.3.3 - Bandas C
• 4.3.4 - Bandas X
• 4.3.5 - Bandas KU
• 4.3.6 - Bandas KA

Nas Ligações via satélite o meio utilizado para propagar é o espaço livre. Nas ligações correntes usam-se micro-ondas com frequências entre 1GHz e 30Ghz. O processo usado não difere muito do usado em radar e comunicação nos finais da segunda guerra mundial. Enquanto os princípios permanecem os mesmos a evolução cai sobretudo em inovações a nível de processamento digital de sinal e o arranjo e disposição de antenas, permitindo expandir para diversas aplicações.

• Princípios da ligação viam satélite

• Sistemas de múltiplo acesso – FDMA, TDMA, CDMA (vantagens e desvantagens)

• Identificação das principais bandas utilizadas hoje em dia.

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4.1 - Princípios da ligação via satélite

A ligação via satélite é considerada a comunicação de micro-ondas mais básica, sendo vista como uma linha que une dois pontos (estação da terra e no espaço) onde os únicos obstáculos que limitam a ligação são apenas a atmosfera e a propagação em “espaço livre”. Tem-se como elemento de atenuação dominante a distância de propagação, onde se sabe que a potência recebida é inversamente proporcional ao quadrado da distância. No entanto existem os factores atenuantes que se devem à atmosfera. São por exemplo o efeito da chuva, reflexões no terreno e outros efeitos menos óbvios que correspondem a condições instáveis do ar e na ionosfera. Estes condicionantes afectam sobretudo a potência recebida produzindo também distorção no sinal, nomeadamente atraso no tempo.

Para estabelecer uma ligação via satélite, faz parte do trabalho de engenharia identificar os requisitos mínimos necessários para determinada performance. Saber o que se tem, o que se quer, bem como o que se pode fazer para a ligação ser factível.

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4.1.1 - Balanço de potência – Atenuação

Tem-se como equação básica da ligação via satélite a seguinte equação:  

                                                                                                         (1)

Onde  corresponde à potência transmitida;  à potência recebida;  o ganho da antena transmissora;  o ganho da antena receptora;  a distância da ligação;  a frequência em Hertz da ligação; e c a velocidade da luz no vazio .

Em decibéis tem-se:

                                                                    (2)

 Os dois últimos termos correspondem à atenuação em espaço livre .

A distância D de ligação é calculada da seguinte forma:

                                                                                  (3)

Onde R₀ corresponde ao raio da terra (6378 Km), R à distância entre o centro da terra e o satélite, e θ ao ângulo de elevação da estação da terra em relação à estação do espaço.  



Figura 2 – Distância entre satélite e estação

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4.1.2 - Dimensionamento da relação Sinal – Ruído (C/N) da ligação

 A relação sinal – ruído (C/N) de uma ligação de satélite é usada para determinar as condições da ligação face ao ruído nomeadamente avaliara a taxa de erros binários na comunicação.

Para a ligação total define-se C/N tendo em conta os dois percursos, ascendente e descendente da ligação.

Para o percurso ascendente tem-se:  

                                                                                                                    (4)

 

Onde p_ra corresponde à potência do sinal recebida no satélite e n_a à potência do ruído recebida também no satélite.  

Para o percurso descendente tem-se:  

  com                                                       (5)

 

Onde p_rd corresponde à potência do sinal recebida em terra, n_d à potência do ruído recebida em terra, g o ganho do amplificador do satélite, g_s o ganho da antena emissora do satélite, g_t o ganho da antena receptora em terra, e l_fs como a atenuação em espaço livre do percurso.

 Para o total tem-se:     

                                    (6)

 

 

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4.1.3 - Recepção em terra

A relação sinal – ruído na estação de terra vem dada por:  

                                                                     (7)

Com P_S correspondendo à potência de emissão do satélite, G_S  ao ganho da antena emissora do satélite, G_T ao ganho da antena receptora em terra, L_fs à atenuação do sinal em espaço livre, k à constante de Boltzman, T a temperatura equivalente e B_w à largura de banda.

 Tem-se como parâmetro relevante do satélite o EIRP (Equivalent Isotropic Radiate Power) potência isotrópica equivalente radiada, sendo equivalente à potência radiada por uma antena isotrópica.

                                                                                                                   (8)

Este parâmetro tem bastante impacto sobre o diâmetro das antenas parabólicas. Sabe-se que a relação é para cada factor de dois em potência do EIRP permite uma redução no diâmetro das antenas de um factor de raiz de dois.  

Como parâmetro na estação em terra tem-se o factor de mérito (G/T) onde T é a temperatura equivalente de ruído da estação. Tem-se portanto a seguinte forma:  

                                                                                                             (9)

 A relação sinal – ruído (C/N) vem agora dada por:  

                                                                               (10)

Para um EIRP  e G/T especificados para cada gama de frequências C/N vem essencialmente dependente da largura de banda.

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4.1.4 - Factores de atenuação devido à atmosfera

A equação exposta para o balanço da potência contempla apenas as perdas devido à propagação. No entanto é necessário adicionar os termos da atenuação devida à atmosfera, estes variantes no tempo. Tem-se como principais componentes os seguintes fenómenos:

•  Absorção pelo ar e vapor de água (não condensado): Praticamente constante para ângulos de elevação constantes. Geralmente pode ser ignorado para frequências inferiores a 15 GHz.

• Distorção para ângulos de elevação baixos: Estações que necessitem de apontar para o horizonte de forma a verem o satélite estão sujeitas a maiores variações no sinal transmitido e reflectido.

• Atenuação devido à chuva: este factor aumenta com frequência e com a quantidade de chuva. As margens definidas para as ligações são baseadas em dados estatísticos da zona onde será implementada a ligação.

• Rotação de Faraday da polarização linear: Este factor revela-se mais intenso nas bandas L e S, com grande impacto na banda C durante o pico da actividade solar. Não é muito relevante para as bandas Ku e Ka.

• Cintilação da Ionosfera: fenómeno mais intenso nas regiões equatoriais. Este factor decresce com o aumento da frequência.

 Para frequências superiores à banda C (> 7 GHz) a chuva introduz uma grande quantidade de perdas implicando um estudo mais rigoroso para fazer a ligação. Nestas situações é necessário estabelecer margens para a ligação bastante elevadas de forma a garantir a boa fiabilidade.



Figura 3 - Atenuação do sinal com a chuva na banda C e Ku em regiões N e P

 (98 e 145 mm/hr de chuva respectivamente)

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4.1.5 - Fontes de ruído adicional e interferência

 Na transmissão e recepção do sinal existe sempre adição de ruído. A existência de satélites na mesma órbita a emitir na mesma frequência origina a chamada interferência orbital. Esta chega a perfazer 20% do ruído térmico total. A medida de interferência é avaliada tendo em conta o número de satélites, o seu espaçamento e o tipo de sinais que estes operam ao mesmo tempo. Outro tipo de introdução de ruído corresponde à distorção de inter-modulação provocado pelo transceptor (transmissor - receptor). Esta é sem dúvida uma grande fonte de ruído, a sua contribuição pode ser igual ao ruído térmico total.

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4.2 - Sistemas de múltiplo acesso

As aplicações correntes de sistemas de ligação via satélite permitem que duas ou mais estações terrestres partilhem os recursos do mesmo transceptor ou canal. Para efectuar essa partilha são implementados os já conhecidos métodos de divisão de recursos. Tem-se como exemplo o frequency division multiple access (FDMA), time division multiple access (TDMA), e code division multiple access (CDMA). Pode-se afirmar hoje que o CDMA vem ganhando cada vez mais adeptos. Este sistema permite que os seus utilizadores transmitem de forma independente de outros. Ao paço que os outros dois (FDMA e TDMA) requerem algum grau de coordenação entre os utilizadores.  

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4.2.1 - FDMA – frequency division multiple Access

Quase todos os sistemas de comunicação quer terrestre quer por via satélite implementam uma forma de FDMA, dividindo de forma inteligente o espectro disponível para a comunicação.  Os utilizadores usam ao mesmo tempo o transceptor sendo reservado um canal para cada um. Neste caso cada utilizador tem de se preocupar em manter na sua frequência, tendo os seus níveis de potência propriamente regulados para garantir a comunicação no seu canal. As áreas onde é mais usado são em sistemas de telefone SCPC (single channel per carrier ), redes de dados VSAT, etc.

Este método é muitas vezes combinado com TDMA ou com CDMA permitindo assim redução na potência transmitida e por sua vez nos custos de transmissão.

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4.2.2 - TDMA – time division multiple access

TDMA é um método verdadeiramente digital. Os dados têm de ser convertidos numa cadeia de bits de forma a serem enviados em pacotes devidamente identificados. Começou por ser um método usado apenas para comunicações de alto desempenho em grandes estações, no entanto com o descer dos custos da electrónica torna-se hoje possível construir estações compactas a usarem este método. As taxas de transmissão vão de 128 Kbps (VSAT) a 60Mbps.

Os dados são transmitidos em intervalos de tempo bastante restritos. A estação terrestre emissora pega numa ou várias cadeias de bits e guarda-as em memória, transmite-as para o satélite em bursts. A estação terrestre receptora recebe bursts em sequência de várias emissoras e selecciona o pacote para si endereçado, reenviando os restantes para o satélite. Todos os bursts têm de estar sincronizados para evitas sobreposição no satélite. Como o tráfego requer consistência a nível de tempo, os bursts  são  enviados a  uma taxa constante.

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4.2.3 - CDMA – code division multiple access

Como anteriormente descrito, este método permite que utilizadores transmitem literalmente por cima uns dos outros. Tem sido cada vez mais considerado uma alternativa eficaz e barata em relação a FDMA e TDMA. O método é descrito na figura seguinte:

 



Figura 4 –  Processo de modulação e desmodulação do sinal em CDMA

 O endereçamento selectivo é feito conhecendo o código que baralha cada sinal. Sendo possível transmitir vários canais na mesma frequência, haverá mistura de sinais que irá aparecer como ruído em relação ao sinal que será detectado pela sequência. Um dos grandes problemas deste método é a dificuldade em determinar com precisão o número de utilizadores que possam partilhar a mesma frequência.  

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4.3 - Bandas – L, S, C, X, KU e KA

O espectro de 1GHz a 30 GHz é ocupado da seguinte forma:

 



Tabela 1 - Ocupação do espectro pelas várias bandas  

Em ocupação de espectro segundo a norma da ITU tem-se:  

• Banda L: 1,5-1,65 GHz;

• Banda S: 2,4-2,8 GHz;

• Banda C: 3,4-7,0 GHz;

• Banda X: 7,9-9,0 GHz;

• Banda Ku: 10,7-15,0 GHz;

• Banda Ka: 18,0-31,0 GHz.

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4.3.1 - Bandas – L

Esta gama de frequências foi inicialmente criada para comunicações em UHF da marinha Norte Americana. Quando se verificou uma possibilidade para comercializar as comunicações via satélite rapidamente cresceu o uso desta banda para fins comerciais. Os equipamentos que operam nesta banda são pequenos e baratos e não necessitam do total conhecimento da localização do satélite.

Para esta banda a principal atenuante do sinal é só a atmosfera, nomeadamente com o fenómeno da cintilação da ionosfera. É usada polarização circular já que a ionosfera tende a rodar a polarização linear.  

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4.3.2 - Bandas – S

 Esta banda é reservada para comunicações espaciais nomeadamente pela NASA e outras organizações de pesquisa espacial no mundo.

Em relação à banda L esta sofre muito menos o efeito da atenuação da ionosfera.

Recentemente a ITU alocou um segmento desta banda para MSS e aplicações futuras de comunicações móveis.  

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4.3.3 - Bandas – C  

Tem sido pouco utilizada para fins domésticos pois as antenas requeridas para os satélites disponíveis são de grande dimensão. No entanto a atenuação provocada pela chuva quase não se sente para serviços que usem esta banda. Por este aspecto é que países na Ásia têm optado por implementar nesta banda a maior parte das comunicações por satélite.

Esta banda é considerada como um bom compromisso entre características de rádio - propagação e largura de banda disponível.  

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4.3.4 - Bandas – X

Esta banda é normalmente usada para fins governamentais e militares. Não como regra mas como hábito já que não existe nenhuma especificação implementada pela ITU.

Pode ser equiparada à banda C em termos de qualidade mas o uso desta banda é bastante limitado, já que os equipamentos que operam nesta banda são pouco acessíveis e de custo elevado, dada a reduzida utilização da banda  

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4.3.5 - Bandas –KU

Esta é sem dúvida a banda mais utilizada para as difusões de televisão e serviços domésticos. Comparada com a banda C tem melhores alocações de espectro, havendo 750  MHz para FSS (fixed satellite service) e 800 MHz para BSS (broadcast satellite service) contra os 500 MHz para a banda C.  É costume usar dupla polarização (vertical e horizontal) e espaçamento de 2 graus entre satélites.

Uma desvantagem desta banda é sente bastante os efeitos da atenuação da chuva.  

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4.3.6 - Bandas – KA

Esta banda tem imenso espectro para as ligações ascendentes e descendentes, cerca de 2 GHz, sendo por isso bastante útil para aplicações que não encontrem espaço em frequências inferiores. Para esta banda as larguras dos feixes das antenas são cerca de um quarto das antenas que operam em bandas como Ku e C, permitindo assim a acomodação de um maior número de satélites.

A maior desvantagem desta banda é a grande deterioração do sinal coma a chuva. Para uma implementação em grande escala de serviços que usem esta banda é necessário responder a vários desafios técnicos, como o da atenuação provocada pela chuva.

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