Redes Satélites
Diogo Henriques nº17140
Milton Godinho nº18074
Luís Sousa nº18825
Historial dos Satélites
• O primeiro satélite a ser lançado no espaço foi
o Sputnik, em Outubro de 1957.
• O primeiro satélite comercial entrou em órbita
em 1965.
• Hoje, os satélites são meios de comunicação
extremamente importantes e transmitem
quase todas as emissões televisivas entre os
diferentes países, e um terço das chamadas
telefónicas internacionais.
Historial dos Satélites
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1945 Arthur C. Clarke Article: "Extra-Terrestrial Relays"
1955 John R. Pierce Article: "Orbital Radio Relays"
1956 First Trans-Atlantic Telephone Cable: TAT-1
1957 Sputnik: Russia launches the first earth satellite.
1960 1st Successful DELTA Launch Vehicle
1960 AT&T applies to FCC for experimental satellite communications license
1961 Formal start of TELSTAR, RELAY, and SYNCOM Programs
1962 TELSTAR and RELAY launched
1962 Communications Satellite Act (U.S.)
1963 SYNCOM launched
1964 INTELSAT formed
1965 COMSAT's EARLY BIRD: 1st commercial communications satellite
1969 INTELSAT-III series provides global coverage
1972 ANIK: 1st Domestic Communications Satellite (Canada)
1974 WESTAR: 1st U.S. Domestic Communications Satellite
1975 INTELSAT-IVA: 1st use of dual-polarization
1975 RCA SATCOM: 1st operational body-stabilized comm. satellite
1976 MARISAT: 1st mobile communications satellite
1976 PALAPA: 3rd country (Indonesia) to launch domestic comm. satellite
1979 INMARSAT formed.
1988 TAT-8: 1st Fiber-Optic Trans-Atlantic telephone cable
Tipos de Satélites
Existem três tipos de satélites que por sua vez se encontram em três
órbitas distintas:
• LEO: (Low Earth Orbit) abaixo dos 2000 km;
• MEO: (Medium Earth Orbit) entre 5000 km e 15000 km;
• HEO: (High Earth Orbit) a partir de 20000 km (onde se incluem os
satélites geoestacionários – GEO).
Abaixo dos 200 km não é tecnicamente possível a manutenção de um
satélite, devido ao seu baixo tempo de vida por deterioração e aquecimento.
A necessidade de motores e combustível nos satélites para correcção de
órbita limita ainda o seu tempo de vida.
O tempo de vida médio dos satélites LEO e MEO é da ordem dos 7-10 anos,
sendo dos GEO da ordem dos 15-20 anos.
Tipos de Satélites
Existem duas zonas de elevada radiação – cinturas de Van
Hallen – às distâncias da Terra de 1500-5000 km e 1300020000 km. A radiação existente nestas zonas deteriora
fortemente o equipamento dos satélites, sendo zonas onde
se evita a colocação de satélites em órbita.
Tipos de Satélites
Há três categorias nas quais se encaixam todos os sistemas de comunicação móvel
via satélite. A primeira se refere aos satélites de órbita geossíncrona (GEO Geostationary Earth Orbit). Esses satélites parecem estar parados para um
observador na terra. Os satélites de órbita média (MEO - Medium Earth Orbit) e
os de órbita baixa (LEO - Low Earth Orbit) estão mais próximos da superfície da
terra e para que se mantenham nessa órbita necessitam viajar a uma velocidade
superior à de rotação da terra, não possuindo, portanto, cobertura fixa.
Tipo
Altitude
Footprint
Banda (GHz)
Atraso
0.25s
GEO
~35781Km
34%
20 a 30 (Ka)
11 a 17 (Ku)
4 a 8 (C)
MEO
13000Km a
10000Km
~24%
1 a 3 (L)
0.09s a 0.07s
LEO
1390Km a
755Km
5% a 2.5%
20 a 30 (Ka)
1 a 3 (L)
0.8
0.01s a
0.005s
Tipos de Satélites
A cobertura dos satélites
Um satélite cobre apenas uma área limitada da Terra em cada momento. A
emissão do satélite forma um cone semelhante a um feixe de luz de uma tocha,
e esta é a área de cobertura do satélite. Quanto mais afastado o satélite estiver
da Terra, maior é a sua área de cobertura. Para cobrir toda a Terra são
necessários, pelos menos, 4 satélites GEO, 12 satélites MEO e 50 satélites LEO.
Satélites Geo
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Orbita circular paralela com o equador.
Visto da terra satélite aparenta ter posição fixa.
Tem a mesma velocidade angular que a da terra.
A sua altitude é de 35786 km.
Cobre aproximadamente 1/3 da terra (basta 3 para cobrir a terra)
Completa uma volta em 24 horas
A orbita é chamada Clarke Belt em honra de Arthur C Clarke por ter
descoberto em 1945 a possibilidade teórica
A comunicação envolvendo satélites é sempre feita através da linha de vista.
O sinal recebido no satélite é chamado uplink
O sinal enviado do satélite é chamado downlink
O uplink e o downlink usam frequências diferentes para evitar interferências
entre as ligações
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Satélites Geo
O sinal recebido, "uplink", é amplificado e reenviado de volta ("downlink") numa
frequência inferior por meios electrónicos incorporados é chamado transponder.
São utilizadas as seguintes larguras de banda 36MHz, 54MHz e 72MHz separadas
por 4MHz ("guardband").
A "oposição de fase" e o deslocamento (+- 50% da largura de banda) são utilizadas
para poder reutilizar as frequências sem interferências.
O downlink pode ser feito utilizando um feixe global o que permite cobrir 40% da
superfície da terra ou/e através de um feixe localizado permitindo assim cobrir uma
pequena área.
Os feixes podem ser direccionais através de acesso remoto.
O padrão que o feixe faz na superfície da terra é chamado "footprint".
O padrão é obtido através de EIRP (effective isotropic radiated power) que é
expresso em dbW (dicibel obove one watt).
Satélites Geo
• Por meio do “footprint” e de uma equação (link budgets) obtém-se a
largura do prato da parabólica necessária.
• As frequências das microondas são definidas por instituições
internacionais.
• Existem varias gamas de frequências a L,S,C,X (militar) e K (inclui Ku e
Ka).
• “point to multi-point distribution” é responsável por distribuir TV nas
nossas casas.
• O primeiro satélite comercial foi construído com o objectivo de aumentar
a área de cobertura das torres de comunicação dos telefones.
• Como as torres utilizavam a banda C o satélite também a utilizou.
• O satélite pode ser visto como um simples mas potente repetidor no céu.
• É muito utilizado na meteorologia.
Satélites Meo
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Intermediate Circular Orbits (ICO) ou Medium Earth Orbits (MEO)
Este tipo de satélites formam orbitas circulares de 10.000km com período de cerca
de 6 horas.
O tempo máximo que um satélite consegue cobrir no mesmo ponto da terra é na
ordem de alguma horas.
Um sistema global de comunicação usando este tipo de orbita requer somente um
pequeno numero de satélites em 2 ou 3 orbitas para fazer a cobertura total do
globo.
O sistema de satélites MEO opera num modo similar ao do sistema LEO.
Contudo, comparando com o sistema LEO, a transferência de informação
de um satélite para outro é menos frequente, e o atraso de propagação e o
espaço livre perdido é maior.
Satélites Meo
• O sistema global de posicionamento (GPS) é um grande exemplo da
utilização do sistema MEO. É um sistema que se baseia na
triangulação usando satélites e computadores para nos dar a indicação
da nossa posição no planeta. Permite em terra, mar e em pleno voo
determinar a sua posição tridimensionalmente, sua velocidade, e
tempo, 24 horas por dia, em qualquer estado de tempo e em qualquer
local do mundo.
• Cada satélite pesa 844 kilos e tem um tempo de vida de 7,5 anos e tem
aproximadamente o tamanho de uma carrinha, com os painéis solares
abertos faz uma cobertura de 7,2 metros quadrados.
• O satélite tem dois relógios e três baterias que fornecem energia
durante os eclipses.
Satélites Leo
(LEO - Low Earth Orbit)
• A comunicação utilizada tem que ser dinâmica, da forma a obter o
mínimo atraso possível.
• Como os satélites não são estacionários é necessário implementar
“handover”.
• Uma das formas de handover é utilizar routeamento terrestre como é o
caso do Iridium.
• A comunicação pode ser feita de satélite para satélite ou de satélite para
terminal em terra e vice-versa
• Esta comunicação é feita nos dois sentidos (dúplex).
• Os pacotes transmitidos tem tamanhos fixos.
• Cada um dos pacotes contem um cabeçalho que contem o endereço de
destino, controlo de erros, verificação de integridade, dados (voz, vídeo e
dados).
• Existe um algoritmo de optimização do atraso no envio pacotes.
• A escolha do satélite com menor atraso é escolhido pelo terminal de
forma independente.
Satélites Leo
• Os pacotes não seguem um caminho fixo.
• No terminal de destino existe um buffer que organiza os pacotes de forma a
minimizar o atraso.
• Os leo tem de ser capazes de lidar com o efeito de Doppler.
• Arrastamento atmosférico provoca desvio na orbita e por consequência a
longevidade (5 a 8 anos).
• Uma vantagem dos satélites leo consiste no seu baixo custo de lançamento,
pois como as dimensões são bastante mais reduzidas que os geo, num
lançamento podem ser envidados vários satélites.
Satélites Heo
Highly Elliptical Orbits (HEO)
• Os satélites tipo HEO são um caso especifico dos GEO. Estes satélites
servem para cobrir áreas que os satélites GEO não cobrem, como a área dos
pólos.
• A orbita dos HEO foram inicialmente exploradas pelos Russos que a
usaram para providenciar a comunicação com as suas regiões mais a norte,
não cobertas pelos satélites GEO.
• Funcionam a uma altitude de cerca de 50,000 km.
• A sua orbita é elíptica e varia entre 8 e 24 horas.
Comunicações Móveis por Satélite – Arquitectura
Sistema típico:
Inter Satellite Link
(ISL)
Mobile User
Link (MUL)
Gateway Link
(GWL)
MUL
GWL
small cells
(spotbeams)
base station
or gateway
footprint
ISDN
PSTN: Public Switched
Telephone Network
PSTN
User data
GSM
Comunicações Móveis por Satélite – Arquitectura
Elementos constituintes:
1) Gateways / Base Station
• Estação terrestre constituída por :
- GOCC (Ground Operations Control Center): gere as constelações dos
satélites dos operadores, ou seja, monitoriza a posição dos satélites e
as suas órbitas, fornecendo serviços de telemetria e comando para a
constelação.
- SOCC (Satellite Operations Control Center): é o responsável pelo controlo
e planeamento do uso dos recursos dos satélites pelas gateways, estando
assim interligado com o SOCC.
• Cada estação pertence e é gerida por cada operador;
• Recebe transmissões dos satélites com o intuito de processar
as chamadas e encaminhá-las para a rede de destino terrestre;
• Uma gateway pode servir mais do que um país;
• É constituída por:
- 3 a 4 antenas;
- Estação de comutação;
- Estação de operação e controlo;
• Efectuam a integração com as redes fixas ou móveis terrestres utilizando
interfaces T1/E1.
Comunicações Móveis por Satélite – Arquitectura
Elementos constituintes:
2) Satélite
Comunicações Móveis por Satélite – Arquitectura
Exemplo do estabelecimento de uma chamada:
1) Processo de aquisição - é responsável pelo estabelecimento de
comunicação entre o utilizador e o satélite;
Comunicações Móveis por Satélite – Arquitectura
Exemplo do estabelecimento de uma chamada:
2) Processo de acesso
2.1) Determinação da localização do destinatário - a central
terrestre, depois de receber informação do satélite, faz uso de um
algoritmo que permite a localização do destinatário;
2.2) Aprovação de acesso - nesta fase dá-se o contacto entre a
central à qual o destinatário está conectado e a central servidora, que
determina se o acesso com o utilizador desejado é permitido;
Comunicações Móveis por Satélite – Arquitectura
Exemplo do estabelecimento de uma chamada:
3) Processo de registo – etapa na qual o terminal móvel por satélite comunica
ao sistema a sua localização. Concluídas as fases anteriores obtém-se um canal
de tráfego e a identificação da central, que permite a satisfação do serviço solicitado.
Nota: Este sistema pode suportar chamadas de terminal móvel por satélite para
rede fixa ou móvel terrestre e vice-versa.
Comunicações Móveis por Satélite – Acesso
Técnicas de Acesso:
FDMA (Frequency Division Multiple Acess)
• A largura de banda total disponível é subdividida de forma a que cada
utilizador transmite na parte da banda que lhe foi atribuída;
• Permite que vários utilizadores acedam ao transpositor do satélite ao
mesmo tempo;
TDMA (Time Division Multiple Acess)
• Os utilizadores transmitem (recebem) um de cada vez sequencialmente;
• O espectro disponível é dividido em intervalos de tempo de tal forma
que cada utilizador possa transmitir ou receber durante o intervalo de
tempo que lhe foi reservado;
CDMA (Code Division Multiple Acess)
• Utilizadores transmitem todos ao mesmo tempo, em banda espalhada;
• Cada estação transmite com um código próprio;
• Receptores recebem o sinal em banda espalhada e extraem a
informação que lhes é destinada usando o respectivo código;
Comunicações Móveis por Satélite – Handover
Tipos de Handover:
Intra Satellite Handover
• Ocorre quando um utilizador se move de um spotbeam de um satélite para outro
spotbeam do mesmo satélite;
• Esta situação ocorre uma vez que um satélite cria vários spotbeams dentro do seu footprint;
• O mesmo caso acontece quando o satélite se move.
Inter Satellite Handover
• No caso de um utilizador se ter movido de um footprint para outro, ou quando o movimento do
satélite provoca essa mesma situação, pode ser considerado hard-handover;
• Ou soft-handover no caso de a conexão anterior e a nova conexão estarem activas em
simultâneo, situação só possivel em sistemas CDMA;
• Pode também ocorrer entre satélites que suportem Inter Satellite Link;
Gateway Handover
• Situação em que o satélite e o utilizador móvel possuem bom contacto, mas o satélite e a gateway
não possuem, tendo o satélite que procurar outra gateway.
Inter System Handover
• Handover utilizado quando um dado utilizador que possua um terminal que suporte tanto a
comunicação por satélite como a comunicação móvel terrestre, possa comutar para a rede que em
dado momento passou a estar disponível.
Comunicações Móveis por Satélite – Segurança
Globalstar
Para garantir a segurança da comunicação a Globalstar tem 3 aparelhos
de encriptação disponíveis:
• Encriptação de voz;
CopyTele DCS-1400
• Encriptação de dados;
Mykotronx KIV-7HSB
• Encriptação de voz e de dados;
CopyTele DCS-1200
Comunicações Móveis por Satélite – Operadores
Iridium
Globalstar
ICO
Nº Satélites
66+6
48+4
10+2
Altitude (Km)
780
1414
10390
Cobertura
global
±70º latitude
global
Down 2.4835 – 2.5 Down 2.17- 2.20
Up 1.61 – 1.6265
Up 1.98 -2.01
Terminal
1.616 – 1.626
Gateway
Down 19.4 -19.6
Up 29.1 – 29.3
Down 5.091 5.250
Up 6.875 – 7.055
Down 7
Up 5.2
ISL
23.18 – 23.38
-------------
-------------
Método de Acesso
FDMA / TDMA
CDMA
FDMA / TDMA
ISL (inter sat. link)
Sim
Não
Não
Taxa de Transferência
2.4 Kbit/s
9.6 Kbit/s
4.8 Kbit/s
Tempo de Vida (anos)
5-8
7.5
12
Custo Estimado
4.4 B$
2.9 B$
4.5 B$
Frequências
(GHz)
Comunicações Móveis por Satélite – Serviços
Globalstar
• Voz;
• Voice Mail;
• Reencaminhamento de chamdas;
• SMS (short message service);
• Acesso à Internet pelo terminal;
• GPS (Global Positioning Sistem);
• Soluções pré-pagas;
Iridium
• Voz;
• Acesso à Internet pelo terminal;
• Paging;
• Soluções pré-pagas;
ICO
• Voz;
• Dados;
• Acesso à internet pelo terminal;
• Fax (quando existe cobertura GSM);
TCP CONGESTION CONTROL
• TCP é um protocolo de janela deslizante que permite o emissor
transmitir um determinando numero de segmentos antes de receber
um ACK.
• Cada segmento é marcado com um número sequencial para
identificar a sua ordem.
• É sempre enviado um ACK do segmento de maior numero
ordenado chegado.
• Se o pacote chega fora de ordem é reorganizado e é enviado um
ACK duplicado do segmento de numero maior e não do acabado de
chegar.
• Este comportamento vai permitir detectar segmentos perdidos.
• a detecção de segmentos perdidos é deduzida a partir de um ACK
não recebido passado um determinado tempo.
• Quando o segmento é dado como perdido dá-se um RTO
(retransmission timeout) e o segmento terá de ser reenviado.
TCP CONGESTION CONTROL
• É um conjunto de algoritmos que tenta prever um RTO e antes de acontecer
baixa a taxa de transmissão.
• Existe dois tipos de janelas a do congestionamento do emissor (CWnd) e a do
"Slow Start Threshold" (SSThresh).
• Exitem 4 algoritmos "slow start", "congestion avoidance", "fast retransmit"
and "fast recovery“.
TCP: Controlo Congestionamento
• controlo fim-a-fim (não há assistência da rede)
• taxa de transmissão é limitada pelo tamanho da
janela, Congwin, sobre os segmentos:
Congwin
• w segmentos, cada um com MSS bytes enviados em um
RTT:
vazão =
w * MSS
Bytes/seg
RTT
TCP: Controlo Congestionamento
• “teste” para reconhecer a
taxa possível:
– idealmente: transmitir tão
rápido quanto possível
(Congwin tão grande
quanto possível) sem
perdas
– aumentar Congwin até
que ocorra perda
(congestionamento)
– perda: diminuir
Congwin, então ir
testando (aumentando)
outra vez
• duas “fases””
– slow start
– congestion avoidance
• variáveis importantes:
– Congwin
– threshold: define o
limite entre a fase slow
start e a fase congestion
avoidance
TCP Slowstart
algoritmo Slowstart
• aumento exponencial (por
RTT) no tamanho da janela
• evento de perda :
temporização (Tahoe TCP)
e/ou 3 ACKs duplicados
(Reno TCP)
Host B
RTT
initializar: Congwin = 1
para (cada segmento reconhecido
Congwin++
até (evento perda OU
CongWin > threshold)
Host A
tempo
TCP: Congestion Avoidance
Congestion avoidance
/* acabou slowstart
*/
/* Congwin > threshold */
Até (evento perda) {
cada w segmentos reconhecidos:
Congwin++
}
threshold = Congwin/2
Congwin = 1
realiza slowstart
1
1: TCP Reno passa a fase slowstart (recuperaçaõ rápida)
após três ACKs duplicados
AIMD
TCP Equidade
TCP congestion
avoidance:
• AIMD: aumento
aditivo, redução
multiplicativa
– aumenta a janela de 1 a
cada RTT
– diminui a janela por um
fator de 2 em caso de
evento perda
Objetivo: se N sessões
TCP devem passar
pelo mesmo gargalo,
cada uma deve obter
1/N da capacidade do
enlace
conexão TCP 2
conexão TCP 1
roteador com
gargalo de capacidade R
O TCP é justo?
• Duas sessões competindo pela banda:
• O aumento aditivo fornece uma inclinação de 1, quando a
vazão aumenta
• redução multiplicativa diminui a vazão proporcionalmente
R
divisão igual da banda
perda: reduz janela por um factor de 2
congestion avoidance: aumento aditivo
congestion avoidance: aumento aditivo
perda: reduz janela por um factor de 2
Vazão da Conexão 2
R
CANIT
• Proposto em 2001 por Benaboud, Berqia, Mikou para melhorar
a equidade na fase de descongestionamento.
• Após a recepção de um ACK o emissor incrementa a largura da
janela de congestionamento por aproximadamente o mesmo
numero de segmentos transmitidos no maior RTT encontrado.
• Para isso usa um novo parâmetro NIT (Normalised Interval of
Time), que representa o intervalo de tempo, durante o qual, cada
ligação incrementa um segmento a largura da janela do
congestionamento
se RTT > NIT o emissor é "acelerado
se RTT < NIT o emissor é "travado"
• Quanto mais próximo esta o NIT do mínimo de RTT mais
eficiente e mais "justo" se torna.
• A implementação requer alteração tanto no emissor como no
gateway.
Comparações
valor óptimo para NIT = 30ms
Comparações
Connection 1: sem congestionamento
Connection 2: com congestionamento
Comparações
Variação do cwnd numa ligação lenta
Standard vs Canit
Comparações
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LTN (Long Thin Network)
Longa porque é dispersa por
grandes distancias e portanto
longos RTT.
Fina porque é constituída por
poucos nos.
O sistema LEO é considerado
LTN.
Standard vs Canit