Star One - Multiplicação da capacidade: uso de spot beams em Banda Ka

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. 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. 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. 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. 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. 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. Confidencial 7 / 19
Banda Ka – A Multiplicação da Capacidade
Cobertura para os User Beams 2/2

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. Confidencial 9 / 19
Banda Ka – A Multiplicação da Capacidade
Cobertura para os Gateway Beams 2/2

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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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
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