Sistemas de Telecomunicações | 2007-2008
COMUNICAÇÕES POR SATÉLITE
Rui Marcelino
Abril 2008
Engenharia Electrica e Electrónica - TIT
Sumário
1. Revisão Histórica
2. Conceitos básicos da comunicação por satélite
3. Alocação do espectro
4. Aplicações de sistemas de satélites
5. Elementos do sistema
6. Considerações do Projecto
7. Presente e tendências futuras das comunicações por satélite
8. Referências
2 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
1
Revisão Histórica
3 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
Foguete V2 – Final da II Guerra Mundial (Alemanha)
4 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
Factos relevantes - Anos 50
-
1956 – Cabo transatlântico (12 canais de telefone).
-
1957 - Primeiro satélite lançado pelo homem USSR (Sputnik, LEO).
-
1958 - Primeiro satélite Americano (SCORE). Primeira comunicação
estabelecida por satélite (LEO, Menos de 35 dias em orbita. Falharam as
baterias).
5 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
Sptunik -I
6 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
Factos relevantes - Anos 60
Primeiro Satélite de comunicações
1960 Primeiro Satélite de comunicações (Echo I and II).
1962: Primeiro satélite de telecomunicações não governamental Telstar I
(MEO).
1963: Primeiro satélite lançado em orbita Geoestacionária Syncom 1 (falha)
1964: Criação da INTELSAT.
1965 Primeiro satélite comercial Early Bird (depois renomeado INTELSAT 1).
7 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
Echo I
8 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
Telstar I
9 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
Intelsat I
10 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
Factos relevantes - Anos 70
-
Desenvolvimento de aplicações GEO
-
1975 Experiência da primeira difusão directa de satélite com sucesso (um
ano de duração USA-India).
-
1977 Difusão directa por satélite, atribuída pelo ITU para as regiões
-
1979 Criada a organização de serviços móveis de satélite (Inmarsat).
11 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
Factos relevantes - Anos 80
-
Expansão de aplicações GEO
-
1981 Primeiro veiculo de lançamento espacial retornável
-
1982 Comunicações marítimas operacionais
-
1983 ITU define plano de difusão directa para a zona 2.
-
1984 Primeira difusão directa residencial (Japão).
-
1987 Sucesso em experiencias de comunicações moveis terrestres (Inmarsat).
-
1989-90 Comunicações móveis globais (Inmarsat)
12 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
Factos relevantes - Anos 90
1990-95:
- Várias organizações propõem a utilização de satélites não geoestacionários
(NGSO) Para sistema de comunicações móveis
- Crescimento continuo de sistemas VSAT (Very Small Aperture Terminal)
- Alocação de frequências para sistema não-Geo
- Crescimento continuo de sistemas e difusão directa.
1997:
-Lançamento do primeiro satélite LEO para terminais portáteis de mão
(Iridium).
- Serviços móveis (Inmarsat).
1998: Iridium inicia serviço
1999: Globalstar inicia serviço
13 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
Iridium
14 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
2
Conceitos básicos da comunicação por
satélite
15 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
Principais tipos de Orbitas
16 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
GEO
36,000 km
MEO
5,000 – 15,000 km
LEO
500 -1000 km
Orbita Geoestacionária
No plano do Equador
Período da orbita equatorial
= 23 h 56 min. 4.091 s
= um dia sideral
(definido como uma rotação completa relativamente às estrelas
fixas)
Satélite parece estacionário a um observador num ponto do
equador
Raio da orbita, r, = 42,164.57 km
Raio da orbita= Altura da orbita+ raio da terra
Raio médio da terra= 6,378.14 km
17 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
Orbita Elíptica
18 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
Velocidade e Período das orbitas
Satellite
Orbital
Height (km)
INTELSAT
35,786.43
ICO-Global
Skybridge
Iridium
Orbital
Velocity (km/s)
Orbital System Period
h min s
3.0747
23 56 4.091
10,255
4.8954
5 55 48.4
1,469
7.1272
1 55 17.8
780
7.4624
1 40 27.0
19 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
Orbitas GEO e não GEO
Orbitas não GEO:
LEO
MEO
HEO
20 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
Períodos de orbitas LEO, LEO e GEO
30.0
25.0
Hours
20.0
15.0
10.0
5.0
0.0
0
5000
10000
15000
20000
Altitude [km]
21 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
25000
30000
35000
40000
Porque se mantêm os satélites em orbita
v
F2
(velocity)
(Inertial-Centrifugal Force)
F1
(Gravitational Force)
22 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
3
Alocação do espectro
23 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
Espectro de Frequência - Conceitos
• Frequência: Razão com que uma onda electromagnética altera a sua polarizada
(oscila) em ciclos por segundos ou Hertz (Hz).
• Comprimento de onda: Distância entre frente de onda no espaço. Dado em
metros como:
λ= c/f
Onde: c = velocidade da luz (3x108 m/s no vazio)
f = frequência em Hertz
• Banda de Frequência: Intervalo de Frequência.
• Largura de Banda: Tamanho ou “largura” (em Hz) de uma banda de frequências.
• Espectro electromagnético: Conjunto completo de frequência de 0 até infinito
24 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
Rádio Frequências RF
Frequências RF : Parte do espectro electromagnético e correspondem às
frequências entre 300 MHz e 300 GHz.
Propriedades das RF:
Radiação eficiente de uma sinal de potencia
Radia no espaço livre
Eficiente recepção em ponto diferentes
As diferenças dependas das RF frequências utilizadas
- Largura de banda do sinal
- Efeito de propagação (difracção, ruído, fading)
- Tamanho das antenas
25 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
Frequências de Microondas
• Sub-intervalo das frequência RF entre 1GHz e 30GHz.
• Propriedades:
- Propagação em linha de vista (espaço e atmosfera).
- Limitado por meios densos (elevações, edificios, chuva)
- Grande largura de banda comparando com as baixas frequências.
- Antenas compactas, e possibilidade de directividade.
26 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
Regulação do espectro de frequências
- ITU International Telecommunication Union Uniformidade na
regulamentação
- Aloca bandas de frequência para os diferentes fins, no planeta
- Define regras de forma a limitar as interferências de RF entre países
27 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
Espectro de RF – Bandas mais usadas
0,1
AM
HF
VHF
1
10
100
UHF
L S
SHF
C X Ku Ka V Q
1
MHz
GHz
Bandas Terrestres
Bandas espaciais
Partilhadas (Terrestres e Espaciais)
28 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
10
100
Utilização de frequências Espaço-Terra
Frequência de ressonância
abaixo100GHz:
• 22.2GHz (H20)
• 53.5-65.2 GHz (Oxygen)
Efeitos da atenuação atmosférica
29 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
4
Aplicações de sistemas de satélites
30 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
Aplicações iniciais dos satélites GEO : Telefonia
1965 Early Bird
34 kg
240 circuitos
1968 Intelsat III
152 kg
1500 circuitos
1986 Intelsat VI
1,800 kg
33,000 circuitos
2000 Large GEO
3000 kg 8 - 15 kW power 1,200 kg payload
31 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
Aplicações actuais de satélites GEO
-
DIFUSÃO - principalmente Televisão
-
-
Comunicações Ponto-Ponto Para Multiponto
-
-
TVCABO, PrimeStar, XM radio, …
VSAT, Distribuição de sinal para TV Cabo, Telefonia, …
Serviços Móveis
-
Terrestar (4G – IP misto satélite-Terrestre), INMARSAT, …
32 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
Navegação por Satélite: GPS , GLONASS e GALILEO
-
GPS é sistema de satélite (MEO)
-
-
Os satélites difundem trens de impulso com elevada precisão
temporal
-
Um receptor adequado a “ver” 4 satélites GPS pode calcular a sua
posição com uma margem de erro máxima de 30 m
-
24 em 8 orbita s de 4 satélites, com um período orbital de 12 horas
Navegação terrestre e marítima
33 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
Satélites LEO
-
Novos sistemas em inicio de funcionamento
-
Orbitas circulares ou inclinadas < 1400 km altitude
-
Satélites cruzam o céu do horizonte-horizonte em 5 - 15 minutos
-
Estações terrestre devem seguir o satélites ou possuir antenas
omnidireccionais
-
Obriga a uma constelação de satélites para uma comunicação continua.
-
Handoff entre satélites.
34 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
5
Elementos do sistema
35 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
Elementos de um sistema de satélite
Segmento espaço
Satélite
Estações
Terrestres
Estação de controlo
Segmento Terra
36 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
Região de
cobertura
Segmento Espaço
– Fase de lançamento
– Fase de colocação em orbita
– Adaptação ao funcionamento
– Funcionamento
TT&C - Tracking Telemetry and Command Station: Controla e
monitoriza os feixes com o satélite. Corrige as distorções e orbitas.
Distorções causadas por forças gravitacionais irregulares motivadas
pela irregularidade da Terra (não esférica) e devido ainda à influencia
do sole da Lua
– Fase de retirada do satélite
37 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
Estabilização do satélite
- Estabilização SPIN
- Estabilização 3 Eixos
38 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
Subsistemas do satélite
Comunicações
Antenas
Transponders
Subsistema
Telemetria e comando (TT&C)
Controlo do satélite (alinhamento de antenas e posicionamento )
Propulsão
Energia Eléctrica
Controlo Térmico
39 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
Segmento Terra
Estação Terrestre= Estação de comunicação por satélite(ar, terra ou mar, fixo ou móvel).
Serviço fixo de satélite
40 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
Serviço Movél de satélite
6
Considerações do Projecto
41 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
Princípios Básicos
Satélite
Feixe
Ascendente
Estação
Terrestre
Feixe
Descendente
Estação
Terrestre
Tx
42 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
Entrada
Informação
Output
Information
Rx
Espectro de RF – Bandas mais usadas
-
Feixe ascendente e descendente:
-
-
FDD: Frequency Division Duplexing.
-
f1 = Ascendente
-
f2 = Descendente
TDD: Time Division Duplexing.
-
-
t1=Ascendente, t2=Descendente, t3=Ascendente,
t4=Descendente,….
Polarização
-
Polarização Linear ( Vertical ou Horizontal)
-
Polarização circular
Separação dos sinais – utilização do mesmo transponder em
simultâneo
-
Entre canais/utilizadores (Acesso Multiplo):
-
FDMA: Frequency Division Multiple Access; atribui a cada
utilizador a sua própria frequência da portadora
- f1 = utilizador 1; f2 = utilizador 2; f3 = utilizador 3, …
-
TDMA: Time Division Multiple Access; Cada utilizador tem o seu
próprio intervalo de tempo
- t1= utilizador 1, t2= utilizador 2, t3= utilizador 3, ...
-
CDMA: Code Division Multiple Access; cada utilizador transmite
simultaneamente e na mesma frequência a separação é efectuada por
modulação em que cada um tem um código diferente no bitstream
-
código 1 = utilizador 1; código 2 = utilizador 2; código 3 = utilizador 3
44 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
Sistema de Comunicação Digital
TRANSMISSOR
Entrada
dados
Codificação
de dados
Codificação
de canal
Modulador
CANAL
RF
Saída
Dados
Descodifica
dados
Descodifica
dor canal
RECEPTOR
45 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
Desmodulador
7
Presente e tendências futuras
das comunicações por satélite
46 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
O presente nas comunicações por satélite
-
Satélites GEO grandes e pesados para múltiplas aplicações
-
Aumento da difusão directa de TV e Rádio
-
Expansão para bandas Ka, Q, V (20/30, 40/50 GHz)
-
Grandes crescimento de serviços baseados na Internet
-
Serviços Móveis:
-
Serviços de difusão em vez de ponto-a-ponto
-
Serviços móveis um negócio com sucesso?
47 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
Futuro das comunicações por satélite
- Crescimento precisa de novas frequências
-
Com a aumento da frequência RF a propagação através da chuva e
das nuvens torna-se um problema
-
Banda-C (6/4 GHz)
-
Banda-Ku (10-12 GHz)
-
Banda-Ka (20 - 30 GHz) Margem de feixe ≥ 6 dB para garantir
for 99.6% disponibilidade
48 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
pouco impacto da chuva
99.99% de disponibilidade
Margem de feixe ≥ 3 dB para garantir
for 99.8% disponibilidade
8
Referências
49 | Sistemas de Telecomunicações | 2008
Referências
- John WatKinson, “The MPEG Handbook”, Focal Press, (2001)
[Cap.2 e 5]
- Keith Jack, “Video Demystified”, 4 Ed., Elsevier-Newnes (2005)
[Cap.1, 2, 3 e 4]
- Visual phantoms (Chikaku Colloquium 2004)
http://www.psy.ritsumei.ac.jp/~akitaoka/phantome.html
- Recomendação ITU-T Recommendation H.261, Video Codec for
Audiovisual Services at px64 Kbits (1993)
50 | Sistemas de Telecomunicações | 2008