Discente: Pedro Lucas Costa Ramos
Orientador: Prof. Dr. Renan Alves dos Santos
Título: Análise de enlace de Satélites de órbitas baixas em transmissões 5G
Esse Projeto Final de Curso feito pelo Pedro Lucas Costa Ramos trata como a integração de satélites na implementação de comunicações 5G tem impactos positivos no desempenho desse tipo de comunicação. Nesse contexto, o projeto tem o objetivo de analisar e simular enlaces de telecomunicações que usam satélites em órbita baixa como auxílio para a transmissão de sinais 5G.
Introdução
Durante as últimas décadas, a demanda de formas de transmissão de dados mais rápidas tem crescido consideravelmente e o padrão de tecnologia mais atual, o 5G, tem como objetivo, entre outras coisas, o aumento das taxas de transmissão e da confiabilidade do sistema, bem como a redução da latência das comunicações. Sua implementação visa atender diferentes cenários, desde áreas de alta vazão, que configura locais fechados ou locais com grande aglomerado de indivíduos, até áreas de baixa densidade populacional, que são locais rurais e mais periféricos.
O crescimento de uma sociedade amplamente conectada leva a necessidade da evolução da tecnologia, em que as telecomunicações não podem ficar de fora. Dentro desse contexto, a integração entre constelações de satélites LEO e comunicações terrestres é uma das alternativas para implementação das redes 5G.
O projeto deste trabalho consiste em modelar, simular e analisar a um enlace de satélites LEO para transmissões 5G utilizando o MATLAB. Assim, serão avaliados conceitos de propagação e comunicações digitais a respeito do tema.
Estudo de órbitas de satélites LEO
O primeiro passo do estudo é definir qual o satélite é utilizado no enlace. Desse modo, a partir de informações físicas reais, simulou-se o movimento orbital desse dispositivo.
O satélite escolhido como referência é o “Starlink Block v1.0”, pertencendo à primeira geração da constelação Starlink da SpaceX. Esse modelo possui payloads de comunicação em bandas de frequência Ku e Ka. Além disso, tal satélite apresenta comunicação óptica intersatélite e pesa em torno de 260 kg.
Os parâmetros de simulação dos equipamentos dos satélites são escolhidos a partir de um relatório de 3GPP, estes parâmetros são apresentados a seguir na tabela 1.
Tabela 1 – Parâmetros dos Equipamentos dos Satélites.
Seguindo o modelo já existente da constelação de satélite LEO da Starlink, pode-se observar os parâmetros dos planos orbitais referentes à primeira fase de lançamento, conforme apresentado na Tabela 2. Basicamente, as constelações são divididas em planos orbitais (que consiste no número de “caminhos que os satélites descrevem), o número de satélites por plano, a inclinação que cada plano possui, a altitude em relação ao solo que os satélites de cada plano possuem e o número total de satélites (número de satélites por planos multiplicado pelo número de planos) .
Tabela 2 – Planos orbitais da primeira fase de lançamento da Starlink.
Planos Orbitais | 72 | 36 | 6 | 72 | 4 |
Satélite por Plano | 22 | 20 | 58 | 22 | 43 |
Inclinação | 53º | 70º | 97.6º | 53.2º | 97.6º |
Altitude | 550 km | 570 km | 560 km | 540 km | 560 km |
Número de Satélites | 1584 | 720 | 348 | 1584 | 172 |
Para as análises, implantou-se no MATLAB os dados apresentados na Tabela 2 e realizou-se os estudos das órbitas das constelações. Com essas informações, se destaca a “malha” que oferece cobertura de sinal ao globo terrestre está diretamente ligada ao número de satélites por plano orbital e o número de planos orbitais. Assim, para uma cobertura em “todo” o globo é necessário um número considerável de satélites, como por exemplo o apresentado na Figura 1 abaixo.
Figura 1 - Simulação das coberturas da constelação de satélite.
Arquitetura da Rede de Acesso via Satélite
A arquitetura de rede usada na análise do enlace descrito nesse projeto final de curso teve como base o relatório do 3GPP “Study on New Radio (NR) to support non-terrestrial networks”. Tal configuração é apresentada na Figura 2, onde tem-se a rede de acesso via satélite com link entre satélites para serviços fixos e móveis por satélite.
Figura 2 - Ilustração do modelo de arquitetura NTN utilizado
As características das órbitas e dos serviços definem um modelo de rede NTN, no qual o satélite assume total ou parcialmente responsabilidade pelo gNb (gNodeB) para regenerar ou receber um sinal NR (do inglês New Radio) dos nós de retransmissão.
As especificações do canal NTN foram selecionadas com base nos cenários propostos pela 3GPP, considerando os serviços e plataformas espaciais utilizadas.
Tabela 3 – Especificações do Canal NTN.
Órbita e altitude da plataforma | Por volta de 600 km |
Frequência portadora no enlace entre plataforma e terminal | 20 GHz para downlink (Ka band) |
Duplexação | Frequency Division Duplexing (FDD) |
Largura de banda do canal (DL + UL) | 2 * 500 MHz |
Modelo de Canal | AWGN |
Especificações de Simulação
O local escolhido para análise do enlace de descida foi um distrito rural da cidade de Porteirinha - MG chamado de Mulungu de Minas, e se encontra nas coordenadas geográficas 15°41'22.6"S, 43°05'22.6"W.
Por meio do MATLAB, foram inseridas as informações do plano orbital de cada órbita e foram analisadas as posições dos 4408 satélites em um intervalo de 24 horas com tempo de amostragem de 30 segundos, resultando em 2880 pontos de posições para cada satélite.
Atenuações
Usando a função de accessIntervals() do MATLAB gerou-se uma base de dados com os intervalos de tempo em que o satélite esteve com linha de visada na estação terrestre. Junto a essa base de dados é utilizado um grupo de equações que permite o cálculo de valores de atenuação médios em um período de tempo.
Tabela 4 – Valores de atenuação médios ao longo do tempo amostrado.
Tipo de Atenuação | Valor Médio |
Atenuação no espaço livre | 173,8 dB |
Atenuação por chuva | 11,5 dB |
Atenuação por nuvem | 1,2 dB |
Atenuação por gases atmosféricos | 0,8dB |
Atenuação por cintilação | 0,5 dB |
Atenuação total | 187,3 dB |
CNR
O cálculo de CNR foi feito a partir das informações técnicas das antenas receptoras e transmissoras, das atenuações ao longo do caminho de propagação e especificações do canal. Sabendo que a antena transmissora tem EIRPrx = 39,44 dBW, e a antena receptora tem G/T = 18,5 dB/K e uma largura de banda de B = 500 MHz, chegou-se C/N média de 12,3 dB.
Figura 3 – C/N por tempo.
Modulação
Os tipos de modulação variam pelo tipo de serviço e configuração de sistemas. Para os dados de enlace estudados não se encontrou uma modulação específica. Por isso escolheu-se quatro modulações diferentes, de acordo o suporte do serviço escolhido, para serem feitas as análises de desempenho, as quais são: QPSK, 16-QAM, 64-QAM e 256-QAM.
Devido aos altos valores obtidos de BER e de taxa de erro de bits, se faz necessário o uso de uma FEC para que haja detecção e correção dos erros, podendo assim ter aumento na qualidade do sinal recebido. É importante destacar que o FEC não é algo milagroso que aumenta a relação sinal-ruído no receptor. O FEC dá um efeito de ganho, de modo que o sistema passa a operar como se tivesse uma relação sinal-ruído maior. Utilizou-se uma FEC com taxa de código 3/4. Tal valor é definido como uma das taxas de codificação que suportam o serviço de eMBB.
Tabela 5 – Diferenças dos parâmetros calculados com FEC e sem FEC.
Conclusão
Este projeto final de curso teve como objetivo analisar um projeto do enlace de comunicação 5G via satélite de baixa órbita. Assim, focou-se no embasamento teórico do tema, na metodologia e os recursos necessários para o desenvolvimento, bem como nas análises realizadas.
Com as informações teóricas e as simulações apresentadas, estima-se que os critérios esperados para o trabalho foram atendidos. Este projeto final de curso engloba vários conceitos vistos ao longo do curso de Engenharia Eletrônica e de Telecomunicações e cumpre com a proposta inicial do trabalho, de analisar um enlace de comunicação via satélite de baixa órbita em 5G.
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