Desde que o satélite Sputnik 1 foi lançado em órbita em 4 de outubro de 1957 para enviar seu característico sinal sonoro de volta à Terra, os satélites têm sido uma parte essencial de nossa rede de comunicação.[1] Naturalmente, à medida que a internet se tornou um método de comunicação mais importante, os satélites foram adaptados para cumprir esse papel também. Hoje, uma nova geração de satélites tem o potencial de fornecer serviço de internet para todos no planeta a um custo surpreendentemente baixo.

Embora as comunicações via satélite existam há décadas, elas geralmente se mostraram caras em termos de acessibilidade à internet (Figura 1). As comunicações terrestres quase sempre foram o método preferido para fornecer acesso à internet, exceto em alguns casos específicos, como em áreas inacessíveis, onde a instalação de infraestrutura seria economicamente inviável devido à baixa densidade populacional ou terreno desafiador. Empresas do setor privado provavelmente nunca conseguiriam recuperar o investimento necessário para instalar cabos ou torres sem fio que alcançassem a maior parte da população nessas áreas. Essa falta de disponibilidade de internet quase garante que comunidades remotas fiquem para trás.

No mundo moderno, dificilmente pensamos em quanto a internet nos trouxe conveniência. Hoje, é provável que a maioria das pessoas não se lembre de um mundo sem internet. Áreas sem acesso à internet estão em uma desvantagem distinta em comparação com o restante da sociedade. Para conectar virtualmente essas áreas ao restante do mundo, a internet via satélite seria a única opção viável, caso fosse suficientemente acessível.

A internet via satélite também provou ser uma ferramenta vital para os serviços de emergência durante desastres. Após esses eventos, o fornecimento de energia da área geralmente é gravemente danificado, interrompendo as comunicações. Equipamentos de satélite alimentados por bateria permitem que os serviços de resgate e as empresas de utilidade pública se coordenem para resolver o problema, restaurar a energia e salvar vidas.

Internet do Espaço

O primeiro satélite de comunicação foi o Telstar 1, lançado pela AT&T em 1962.[2] A órbita elíptica do Telstar variava de 592 milhas (956 quilômetros) da Terra em seu ponto mais próximo a 3.687 milhas (5.934 quilômetros) em seu ponto mais distante. Ele podia receber e transmitir transmissões de televisão, chamadas telefônicas e imagens, mas apenas por trinta minutos em sua órbita de aproximadamente duas horas e meia.

Posteriormente, os satélites de comunicação melhoraram esse tempo de atividade adotando uma órbita geoestacionária (GEO) a 22.236 milhas (35.785 quilômetros) acima do equador. Nessa altura, a velocidade da órbita de um satélite corresponde à da Terra, de modo que ele permanece na mesma localização em relação ao planeta e está sempre disponível para transmitir e receber dados. Três desses satélites GEO podem fornecer cobertura para quase todo o globo.[3]

Embora os satélites GEO tenham melhorado drasticamente nossas capacidades de comunicação, vários problemas permanecem, incluindo o custo. Estar em órbita a essa altura acima da Terra significa que os satélites estão expostos a intensa radiação dos cinturões de Van Allen, exigindo que os componentes eletrônicos sejam blindados. Isso, por sua vez, torna os satélites mais pesados e aumenta ainda mais seu custo.

A Terra possui dois cinturões de Van Allen, cuja distância da Terra pode variar entre aproximadamente 400 (644 km) e 36.040 milhas (58.000 km).[4] Os cinturões em forma de rosca são mais espessos sobre o equador e mais finos nos polos. Eles são causados pela magnetosfera da Terra, que aprisiona partículas de radiação de alta energia. Essas partículas protegem a Terra contra tempestades solares e o vento solar (Figura 2), que podem danificar sistemas eletrônicos e prejudicar os seres humanos. Como os satélites GEO orbitam a uma altitude de 22.236 milhas (35.785 km), eles estão constantemente dentro da radiação dos cinturões de Van Allen, mas fora da maior parte da zona de proteção dos cinturões contra eventos de radiação do espaço profundo.

Esse não é o único problema dos satélites GEO. A distância extrema de órbita também introduz latência, com a viagem de ida e volta de 44.472 milhas (71.570 km) levando cerca de 500 ms para os sinais. Por fim, em caso de falha, todo o satélite precisa ser substituído. Sistemas redundantes podem ajudar a prolongar a vida útil operacional de sistemas críticos, mas acrescentam mais peso e custo. Com toda essa blindagem e redundância, os satélites GEO podem custar até 400 milhões de dólares, pesar até cinco toneladas e levar até cinco anos para serem projetados e construídos.[5]

Uma Solução Alternativa

Mais recentemente, uma nova técnica surgiu com o objetivo de eliminar as desvantagens dos satélites GEO. Em vez de depender de um único satélite com múltiplos pontos de falha e um custo exorbitante, vários satélites de órbita terrestre baixa (LEO), com órbitas entre 100 e 1.200 milhas (160 e 1.931 km), poderiam atuar como uma única entidade para fornecer cobertura a todo o planeta. Embora um único satélite LEO possa cobrir apenas uma pequena porção da superfície do planeta e não permaneça estacionário sobre a Terra, ele opera sob a proteção dos cinturões de Van Allen, o que significa que não precisa do mesmo nível de blindagem que os satélites GEO.

Os satélites LEO (Figura 3) também são muito menos caros — com um custo médio de cerca de 500.000 dólares —, mais leves (entre 220 e 2.200 libras = entre 100 kgs e 1000 kgs) e podem ser projetados e construídos em cerca de 18 meses. Seus lançamentos são mais econômicos, e os satélites oferecem um serviço melhor com maiores larguras de banda.[6] Com uma latência típica de cerca de 40 ms, a internet via satélite LEO está muito mais próxima da experiência do usuário final das comunicações terrestres. Se um satélite falhar, os outros na constelação podem ser reorganizados para fechar quaisquer lacunas na cobertura. Além disso, satélites podem ser adicionados rapidamente à constelação para aumentar a capacidade e fornecer uma melhor qualidade de serviço.

É difícil estimar com precisão o número atual de satélites LEO em órbita, e, até o momento em que este artigo for publicado, esse número certamente estará desatualizado. Atualmente, o maior agrupamento é a constelação Starlink, com cerca de 7.000 satélites no total[7] e até 42.000 planejados para o futuro.[8] Isso se compara aos 600 satélites GEO atualmente ativos. O Starlink é apenas um exemplo. A constelação Thousand Sails da China deverá ter 1.296 satélites em órbita até 2027, levando a um número final de 12.000 satélites a longo prazo.[9] A Amazon também está entrando nesse campo com o Project Kuiper, que planeja uma constelação de 3.232 satélites e lançamentos futuros.[10]

Muitos avanços tecnológicos permitiram que tantos sistemas complexos funcionassem em conjunto. Como os satélites não estão completamente estacionários acima da Terra, eles devem cooperar de perto com outros satélites à medida que passam pelo horizonte e perdem o sinal. Para se comunicar com outros satélites, os satélites Starlink mais recentes possuem três lasers que podem se comunicar a até 200 Gbps para comunicação entre satélites. Essas comunicações baseadas em laser reduzem a carga de trabalho da estação terrestre.

A comunicação regenerativa é outra inovação que deve reduzir o número e a complexidade das estações terrestres. Os primeiros satélites LEO atuavam como um canal entre a estação base e o local-alvo, apenas amplificando o sinal e mudando a frequência para transmissão. Essa técnica é conhecida como bent pipe. A tecnologia regenerativa permite que os satélites demodulem, decodifiquem, recodifiquem e modulem o sinal para melhorar a relação sinal-ruído. Também pode processar seletivamente os dados, se necessário.

Os satélites LEO também estão começando a integrar as comunicações móveis 5G. As redes não terrestres 5G (5G-NTN) podem ser do tipo bent-pipe ou regenerativas, sendo que as redes regenerativas incluem parte ou toda a estação base do satélite.[11] Essa integração pode trazer muitos benefícios, especialmente para comunidades carentes. Permitiria que populações em áreas remotas tivessem acesso a comunicações móveis, sensores de Internet das Coisas (IoT) e conexões máquina a máquina (M2M), potencialmente impulsionando suas economias. As redes 5G-NTN também podem melhorar a qualidade de aplicações de alta capacidade. Em casos de desastres, constelações de satélites LEO poderiam temporariamente substituir redes terrestres danificadas.

Antenas orientadas eletronicamente (Figura 4), como arrays de varredura eletrônica ativa (AESA) e antenas de matriz em fase, também estão sendo rapidamente introduzidas nos satélites, já que as antenas parabólicas têm dificuldades para atender à crescente demanda. Essas antenas podem mudar rapidamente a direção do sinal de forma eletrônica, enquanto as antenas parabólicas precisam de movimento físico. Essas técnicas são mais responsivas e permitem a formação de feixes para ajustes mais rápidos e precisos, possibilitando transferências mais ágeis entre os satélites.

Por fim, inovações recentes em satélites GEO podem permitir que eles trabalhem em estreita colaboração com satélites LEO para oferecer serviços de maior qualidade. Os satélites LEO poderiam fornecer internet rápida e de baixa latência globalmente, enquanto os satélites GEO utilizariam suas capacidades para atender áreas urbanas de alta densidade populacional em aplicações que não sejam sensíveis ao tempo.

Todas essas técnicas permitem que os satélites direcionem o tráfego de forma inteligente, economizando espaço valioso no espectro e melhorando a resiliência da rede.

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Conclusão

Avanços tecnológicos que proporcionam maior throughput e custos de lançamento mais baixos permitiram que diversos provedores lançassem constelações em órbita, aumentando enormemente a capacidade e reduzindo os custos para os usuários finais. Esses custos mais baixos tornam as comunicações via satélite muito mais econômicas para áreas remotas.

Embora as constelações de satélites LEO ofereçam grande potencial para conectar comunidades remotas e gerar benefícios econômicos e sociais, elas também apresentam desafios. À medida que avançamos, equilibrar os benefícios do acesso generalizado aos satélites com o gerenciamento responsável do nosso espaço orbital será essencial para sustentar esse progresso e evitar o congestionamento nos céus.

Fontes

[1]https://nssdc.gsfc.nasa.gov/nmc/spacecraft/display.action?id=1957-001B
[2]https://airandspace.si.edu/collection-objects/communications-satellite-telstar/nasm_A20070113000
[3]https://www.esa.int/Enabling_Support/Space_Transportation/Types_of_orbits
[4]https://spacenews.com/van-allen-probes-spot-an-impenetrable-barrier-in-space/
[5]https://www.te.com/en/industries/aerospace/insights/cots-components-in-leo-satellites.html
[6]https://www.te.com/en/industries/aerospace/insights/cots-components-in-leo-satellites.html
[7]https://satellitemap.space/
[8]https://www.the-independent.com/tech/elon-musk-satellites-starlink-spacex-b2606262.html
[9]https://phys.org/news/2024-10-china-thousand-starlink-latest-mega.html
[10]https://www.aboutamazon.com/news/innovation-at-amazon/what-is-amazon-project-kuiper
[11]https://www.qorvo.com/design-hub/blog/advancing-communication-the-role-of-leo-satellites-in-the-wireless-expansion

Artigo publicado por Mouser Electronics no blog da Mouser Electronics: Sky-Fi: How Satellite Internet Links the Globe

Traduzido pela Equipe Embarcados. 

Fonte: Mouser Electronics l Embarcados