Redes Satélites Redes Satélites

Diogo Henriques nº17140Diogo Henriques nº17140Milton Godinho nº18074Milton Godinho nº18074

Luís Sousa nº18825Luís 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• 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 13000-20000 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

GEO ~35781Km 34% 20 a 30 (Ka)

11 a 17 (Ku) 4 a 8 (C)

0.25s

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• 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

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 MeoIntermediate 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 HeoHighly 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

base stationor gateway

Inter Satellite Link (ISL)

Mobile User Link (MUL) Gateway Link

(GWL)

footprint

small cells (spotbeams)

User data

PSTNISDN GSM

GWL

MUL

PSTN: Public Switched Telephone Network

Sistema típico:

Comunicações Móveis por Satélite – ArquitecturaElementos 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 – ArquitecturaElementos constituintes:

2) Satélite

Comunicações Móveis por Satélite – ArquitecturaExemplo 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 – ArquitecturaExemplo 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 – ArquitecturaExemplo 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

Frequências

(GHz)

Terminal 1.616 – 1.626Down 2.4835 – 2.5

Up 1.61 – 1.6265

Down 2.17- 2.20

Up 1.98 -2.01

GatewayDown 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$

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:

• w segmentos, cada um com MSS bytes enviados em um RTT:

vazão = w * MSS

RTT Bytes/seg

Congwin

• duas “fases””

– slow start

– congestion avoidance

• variáveis importantes:– Congwin– threshold: define o

limite entre a fase slow start e a fase congestion avoidance

• “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

TCP: Controlo Congestionamento

TCP Slowstart

• aumento exponencial (por RTT) no tamanho da janela

• evento de perda : temporização (Tahoe TCP) e/ou 3 ACKs duplicados (Reno TCP)

initializar: Congwin = 1para (cada segmento reconhecido Congwin++até (evento perda OU CongWin > threshold)

algoritmo SlowstartHost A

one segment

RTT

Host B

tempo

two segments

four segments

TCP: Congestion Avoidance

/* acabou slowstart */ /* Congwin > threshold */Até (evento perda) { cada w segmentos reconhecidos: Congwin++ }threshold = Congwin/2Congwin = 1realiza slowstart

Congestion avoidance

1

1: TCP Reno passa a fase slowstart (recuperaçaõ rápida)após três ACKs duplicados

TCP EquidadeObjetivo: se N sessões

TCP devem passar pelo mesmo gargalo, cada uma deve obter 1/N da capacidade do enlace

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

AIMD

conexão TCP 1

roteador comgargalo de capacidade R

conexão TCP 2

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

R

divisão igual da banda

Vazão da Conexão 2

Vazã

o d

a C

onexão 1

congestion avoidance: aumento aditivoperda: reduz janela por um factor de 2

congestion avoidance: aumento aditivoperda: reduz janela por um factor de 2

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 congestionamentoConnection 2: com congestionamento

ComparaçõesVariação do cwnd numa ligação lenta

Standard vs Canit

Comparações• 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