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Uso de Spot Beams em Banda Ka
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• A Banda Ka, devido às altas frequências de operação envolvidas
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• As gateways precisam ter uma boa capilaridad...
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Banda Ka – A Multiplicação da Capacidade
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• Um fator preponderante associado à operação ...
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os user beams, onde ...
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Notação:
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• O benefício trazido pela utilização de várias gateways aparece claramente a seguir:
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• Da experiência adquirida pela Star One com redes internet de grande porte
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• Considerando que as 4 sub-redes estão isoladas entre si, através do uso de
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  1. 1. Confidencial 1 / 15 Multiplicação da Capacidade: Uso de Spot Beams em Banda Ka 20 de Outubro de 2010 Diretoria de Engenharia – Gerência de Sistemas de Comunicações (ENGSIS)
  2. 2. Confidencial 2 / 19 • A Banda Ka, devido às altas frequências de operação envolvidas (30/20GHz), possibilita a utilização de feixes do satélite bastante diretivos (spot beams), o que viabiliza a segmentação da área de cobertura em células bastante reduzidas: tipicamente da ordem de 500 km de diâmetro, o que equivale a cerca de 1º, quando visto do satélite. • A adoção de cobertura com feixes do tipo spot beam (ou células) traz o benefício de podermos operar com EIRP e G/T do satélite bastante altos, quando comparados à Banda Ku (tipicamente da ordem de 69 dBW e 20 dB/K, respectivamente, por feixe). • Cada uma dessas células pode agregar dezenas de milhares de assinantes, função da densidade populacional da área em questão e também do perfil de tráfego associado. • Satélites em Banda Ka destinam-se prioritariamente ao serviço de internet e, portanto, as redes são do tipo estrela, onde os terminais remotos (VSATs) falam com estações centrais, usualmente denominadas gateways. Banda Ka – A Multiplicação da Capacidade Introdução 1/4
  3. 3. Confidencial 3 / 19 Banda Ka – A Multiplicação da Capacidade Introdução 2/4 • As gateways precisam ter uma boa capilaridade em termos de troncos entrantes e saintes de fibra ótica, uma vez que serão a porta de interface para escoamento do tráfego internet com a Rede Pública. • Espaçando-se adequadamente as gateways participantes da rede de forma a haver isolação espacial entre as mesmas, pode-se fazer reuso do espectro de frequências numa mesma polarização, um dos principais benefícios trazidos pela Banda Ka, ou seja, tudo se passa como se a rede fosse dividida em diversas sub-redes, cada uma operando com uma gateway, sem onerar o espectro total de frequências da rede (empacotamento de espectro). • Os feixes do satélite conectados às VSATs são comumente denominados de user beams, ao passo que os feixes do satélite conectados às gateways de gateway beams. • As portadoras no sentido gateway → ponto remoto são comumente denominadas de Outbound ou Forward link, ao passo que as portadoras no sentido ponto remoto → gateway de Inbound ou Return link.
  4. 4. Confidencial 4 / 19 Banda Ka – A Multiplicação da Capacidade Introdução 3/4 • Um fator preponderante associado à operação na Banda Ka é a alta atenuação provocada pela chuva. O gráfico a seguir compara a atenuação por chuva nas Bandas Ku e Ka para todas as capitais brasileiras, conforme Recomendação ITU-R P.618-10.
  5. 5. Confidencial 5 / 19 Banda Ka – A Multiplicação da Capacidade Introdução 4/4 • Esse maior impacto da chuva na Banda Ka, quando comparado à Banda Ku, pode ser reduzido: – com a adoção da tecnologia ACM, onde o MODCOD da portadora varia em função das condições atmosféricas do enlace satélite, podendo a modulação excursionar desde 16APSK em céu claro (que representa cerca de 95% do tempo) até QPSK em chuva intensa; – com o emprego de diversidade de sítio nas gateways.
  6. 6. Confidencial 6 / 19 • Será apresentado a seguir um exemplo de cobertura do território brasileiro para os user beams, onde as seguintes premissas foram assumidas: – células com diâmetros da ordem de 500km (típico); – cobertura de todo o território nacional, incluindo o mar territorial e as ilhas; – quantidade de user beams resultantes = 42. • Este exemplo foi fruto de um processo de RFI (Request for Information) junto a diversos fabricantes de satélite, onde verificou-se, do ponto de vista do satélite, a factibilidade da cobertura de todo o território nacional, incluindo o mar territorial e as ilhas. Banda Ka – A Multiplicação da Capacidade Cobertura para os User Beams 1/2
  7. 7. Confidencial 7 / 19 Banda Ka – A Multiplicação da Capacidade Cobertura para os User Beams 2/2
  8. 8. Confidencial 8 / 19 • Será apresentado a seguir um exemplo de cobertura do território brasileiro para os gateway beams, onde as seguintes premissas foram assumidas: – quantidade de gateways = 4 (típico), de forma a termos um fator de reuso (empacotamento do espectro de frequências) de 4; – gateways com separação espacial maior ou igual a 1000km, de forma a termos isolação entre as mesmas; – gateways selecionadas em nosso exemplo que atendem à restrição acima: Rio de Janeiro (RJO), Porto Alegre (POA), Recife (RCE) e Manaus (MNS); – gateway beams utilizam as mesmas células dos user beams, de forma a aproveitar a mesma antena do satélite associada aos user beams. Banda Ka – A Multiplicação da Capacidade Cobertura para os Gateway Beams 1/2
  9. 9. Confidencial 9 / 19 Banda Ka – A Multiplicação da Capacidade Cobertura para os Gateway Beams 2/2
  10. 10. Confidencial 10 / 19 • Será apresentado a seguir um exemplo de conectividade entre as VSATs e as gateways, onde as seguintes premissas foram assumidas: – células de mesma cor falam com a mesma gateway; – dentro do possível, procurou-se alocar a gateway mais próxima de cada user beam; – quantidade de user beams selecionados por gateway: Rio de Janeiro = 11 Porto Alegre = 11 Recife = 10 Manaus = 10 Banda Ka – A Multiplicação da Capacidade Conectividade das remotas com as Gateways 1/2
  11. 11. Confidencial 11 / 19 Notação: células conectadas a POA células conectadas a RJO células conectadas a REC células conectadas a MNS Banda Ka – A Multiplicação da Capacidade Conectividade das remotas com as Gateways 2/2
  12. 12. Confidencial 12 / 19 • Será apresentado a seguir um exemplo de plano de frequências para a rede com 4 gateways, onde as seguintes premissas foram assumidas: – células de mesma cor indicam mesmo espectro de frequências; – células adjacentes não têm isolação suficiente para operar com o mesmo espectro de frequências; – células que falam com a mesma gateway devem operar com espectros de frequências diferentes, visto que a gateway não tem como discriminar um sinal do outro se ambos falarem na mesma frequência. Banda Ka – A Multiplicação da Capacidade Plano de Frequências 1/3
  13. 13. Confidencial 13 / 19 Notação: Espectro de Frequências 1 Espectro de Frequências 2 Espectro de Frequências 3 Espectro de Frequências 4 Espectro de Frequências 5 Espectro de Frequências 6 Espectro de Frequências 7 Espectro de Frequências 8 Espectro de Frequências 9 Espectro de Frequências 10 Espectro de Frequências 11 Banda Ka – A Multiplicação da Capacidade Plano de Frequências 2/3
  14. 14. Confidencial 14 / 19 • O benefício trazido pela utilização de várias gateways aparece claramente a seguir: • A real ocupação do espectro de frequências irá depender do perfil de tráfego da rede. Banda Ka – A Multiplicação da Capacidade Plano de Frequências 3/3
  15. 15. Confidencial 15 / 19 Banda Ka – A Multiplicação da Capacidade Trade-off Polarização Circular X Linear • Na Banda Ka se utiliza tipicamente a polarização circular, ao invés da linear. As principais razões para tal preferência seriam: – maior facilidade de instalação: não há aqui necessidade de ajustar o ângulo de polarização para cada localidade remota, como ocorre na polarização linear, bastando utilizar o alimentador correto: circular à direita ou à esquerda. – o efeito Faraday (rotação da polarização do sinal ao passar pela atmosfera terrestre, devido à sua interação com o campo magnético da Terra) se manifesta na polarização linear, mas não na circular (este benefício é marginal uma vez que o efeito Faraday é severo apenas em frequências mais baixas – limite é a Banda C). – condições atmosféricas (chuva, nuvens, etc.) são mais desfavoráveis na polarização linear que na circular, uma vez que também podem provocar rotação do sinal, o que não é sentido na polarização circular. – o ponto desfavorável da polarização circular, quando comparado à polarização linear, é a menor isolação de polarização cruzada das estações terrenas.
  16. 16. Confidencial 16 / 19 Banda Ka – A Multiplicação da Capacidade Demanda de Espectro X Perfil de Tráfego 1/2 • Será apresentado a seguir um exemplo hipotético da demanda de cada uma das sub-redes definidas anteriormente, onde as seguintes premissas de tráfego foram aqui assumidas: – assimetria típica do tráfego de internet entre forward link e return link da ordem de 5:1 (o usuário em geral faz muito mais download do que upload); – 10000 VSATs, na média, por user beam; – taxa de download de 1Mbps nas VSATs; – fill factor (razão entre assinantes conectados na internet e assinantes desconectados) de 5%. • Com as premissas acima e considerando que cada sub-rede inclui até 11 user beams, teremos, para cada sub-rede: – tráfego total no sentido Forward = 10000 X 1M X 0.05 X 11 = 5.5 Gbps – tráfego total no sentido Return = 10000 X 1M/5 X 0.05 X 11 = 1.1 Gbps
  17. 17. Confidencial 17 / 19 • Da experiência adquirida pela Star One com redes internet de grande porte (GESAC = 12000 escolas) em satélites da nossa frota, temos, na condição de céu claro: – relação bps/Hz no Forward: 2.5 – relação bps/Hz no Return: 1.5 • Levando-se em consideração todas as premissas aqui apresentadas, chega-se a: – espectro necessário no sentido Forward = 5.5G/2.5 = 2.2 GHz – espectro necessário no sentido Return = 1.1G/1.5 = 0.7 GHz – espectro total necessário por sub-rede ~ 3 GHz • Para as 4 sub-redes com uma capacidade total de 26.4 Gbps [ (5.5+1.1) X 4 = 26.4 Gbps ] seriam necessários 12 GHz (4 X 3 GHz) num cenário sem reuso de frequências Banda Ka – A Multiplicação da Capacidade Demanda de Espectro X Perfil de Tráfego 2/2
  18. 18. Confidencial 18 / 19 • Considerando que as 4 sub-redes estão isoladas entre si, através do uso de spot beams, na verdade o espectro total necessário continua sendo de 3 GHz, efetivamente reduzindo o espectro total a um quarto do cenário sem reuso. • Se adotarmos adicionalmente o reuso de polarização, o espectro total necessário seria reduzido para 1.5 GHz. • Comparado com o espectro de 12 GHz requerido num cenário sem reuso de frequências obtemos um ganho de 8 vezes. Banda Ka – A Multiplicação da Capacidade Conclusão
  19. 19. Confidencial 19 / 19 Banda Ka – A Multiplicação da Capacidade O B R I G A D OO B R I G A D O AntônioAntônio Paolino IannellPaolino Iannellii Gerência de Sistemas de ComunicaçõesGerência de Sistemas de Comunicações Tel.: +55 (21) 2121 8467Tel.: +55 (21) 2121 8467 EE--mailmail:: antonioantonio..iannelliiannelli@@staronestarone.com..com.brbr

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