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Internet via Satélite: as expectativas da comunicação em banda larga e as implicações tecnológicas
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Jonathan Aldeia Pacheco
1 Internet via Satélite: as expectativas da comunicação em banda larga e as implicações tecnológicas Lilian Noronha Nassif 1 Analista de sistemas da PRODABEL Empresa de Informática e Informação do Município de Belo Horizonte Doutoranda em Ciência da Computação pela UFMG Mestre em Administração Pública pela Escola de Governo da Fundação João Pinheiro Especialista em Engenharia de Telecomunicações pelo IETEC PALAVRAS-CHAVE Satélite Internet Cable Modem xdsl RESUMO O artigo apresenta uma análise sobre a utilização dos satélites como um potencial meio de comunicação para o fornecimento do serviço de Internet. Situado entre uma variedade de opções para possibilitar comunicação de dados para os municípios, os satélites se destacam por total alcance e rapidez na implantação do acesso e no oferecimento de alta velocidade para a Internet em projetos de conexões com esse serviço. Motivadas pela tendência das comunicações em banda larga e pela possibilidade de acessibilidade do serviço em qualquer lugar, diversas empresas do segmento de Informática e Telecomunicações estão apostando na Internet via satélite. O trabalho apresenta as características dos satélites e as tecnologias utilizadas. Através do estudo dos projetos definidos por grandes empresas do ramo, são apresentadas as decisões de projeto de cada uma delas. Até que os projetos entrem em operação, novas tecnologias serão incorporadas para viabilizar o planejado. O trabalho faz considerações sobre a disputa em andamento, na qual agora estamos nos baseando com argumentos técnicos que provavelmente serão suplantados pelo preço e qualidade dos serviços oferecidos
2 Lilian Noronha Nassif 1. INTRODUÇÃO Quando em 1945, Artur Clarke, renomado escritor de ficção científica, escreveu um artigo sobre a possibilidade de os homens construírem sistemas de comunicação global utilizando satélites artificiais lançados no universo, ele antecipou uma possibilidade que em poucos anos tornou-se real. Com o lançamento do primeiro satélite artificial pelos russos, o Sputinik em 1963, iniciava-se uma nova era de comunicação. Com o advento da Internet e dos telefones celulares nos anos 80, despertou-se a interação entre as pessoas do mundo inteiro alavancando uma nova forma de comunicação e convivência. Tecnologias de comunicação como a fibra óptica e os sistemas de satélite possibilitam cada vez mais a rapidez e a acessibilidade. É dentro deste contexto que se insere o presente trabalho, que procura contribuir na pesquisa das tendências do uso da Internet, principalmente através da tecnologia de satélite apresentando as características inerentes à tecnologia da Internet, à tecnologia de satélite e às problemáticas técnicas envolvidas. A intenção é informar as opções de acesso com velocidades superiores aos tradicionais modems de 56 kbps para os usuários domésticos e possibilitar a distinção de quais tecnologias estão disponíveis para todos e quais tecnologias são restritas a algumas localidades. Dessa forma, os municípios de um modo geral poderão inferir sobre sua situação em particular e verificar como sua localidade está sendo servida por uma ou outra tecnologia. O trabalho é ilustrado com projetos mundiais que estão investindo no segmento de Internet via satélite e apostando em tecnologias que só poderão ser confirmadas depois que tais projetos estiverem em operação, muitos deles só se iniciando em São apresentados os argumentos técnicos recheados de muita disputa mercadológica, em que o oferecimento do serviço não é apenas uma questão técnica, mas de agilidade, oportunidade e agressividade no mercado das telecomunicações e da informática, no qual o clichê em evidência é: Anywhere, anytime. 2. INTERNET EM BANDA LARGA PARA USUÁRIOS DOMÉSTICOS E PEQUENOS GRUPOS Quando se apresenta um projeto de interligação de redes, diversas opções de tecnologia podem ser utilizadas para o mesmo propósito. Patamares diferentes são considerados dependendo das necessidades de velocidade, qualidade, preço, público-alvo aplicação, disponibilidade e escalabilidade. As grandes cidades são assoladas por diversas empresas de telecomunicações que repassam centenas de cabeamentos de fibras ópticas nos subsolos dos passeios públicos. Há uma grande concentração de cabos em locais comerciais e uma carência enorme dessa tecnologia em locais diferentes do núcleo dos grandes centros urbanos. Essas estruturas são 138
3 Internet via Satélite: as expectativas da comunicação em banda larga e as implicações tecnológicas construídas para atender principalmente ao mercado corporativo, daí sua proximidade dos centros comerciais. Os usuários domésticos, por outro lado, situados em bairros residenciais, ficam geralmente distantes da infra-estrutura de fibra óptica. Para se conectar à sua aplicação, a Internet, precisam fazer uso de outras tecnologias. Dentre as tecnologias que oferecem velocidades superiores aos modems convencionais (56kbps), destacam-se o acesso via Cable Modem, xdsl e Satélite. A seguir descrevemos essas tecnologias dando destaque para a conexão via Satélite por ser esta a mais recente e ainda pouco difundida para esse propósito. Figura 1 Opções de conexões à Internet para o usuário doméstico 2.1 xdsl DSL (Digital Subscriber Line) é uma tecnologia que possibilita conexão rápida com a Internet fazendo uso da infra-estrutura atual de telefonia. Diferentemente das tecnologias ISDN e conexão por modem analógico, a conexão DSL é um link dedicado disponível 24 horas por dia. O DSL pode operar concorrentemente com uma comunicação de voz via telefone. Há vários tipos de DSL disponíveis e o serviço depende da localização. Tipos de DSL: ADSL, CDSL, G.Lite ou DSL Lite, HDSL (High bit-rate Digital Subscriber Line), IDSL (ISDN Digital Subscriber Line), RADSL (Rate-Adaptative Digital Subscriber Line), SDSL (Single-line DSL), UDSL (Unidirectional DSL), VDSL (Very High DSL), x2/dsl. Devido a tantas variações do DSL é que chamamos essa classe de xdsl. Tais tecnologias variam quanto aos limites de velocidade permitidos, às aplicações em que devem ser utilizados e aos limites de distâncias para se alcançar a velocidade da tecnologia.destacamos o ADSL cuja aplicação associada é a Internet, objeto de estudo neste trabalho. 139
4 ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) significa Linha Digital Assimétrica para Assinantes, foi concebido em 1989 e não se refere a uma linha, mas a modems que convertem o sinal padrão do fio de telefone par-trançado em um duto digital de alta velocidade. Os modems são chamados assimétricos pois transmitem dados do seu computador em uma velocidade mais alta do que pode transmitir. O sistema ADSL atinge velocidades altas comparado aos sistemas de transmissão de dados atuais. ADSL permite transmissões de mais de 6 Mbps (megabits por segundo) de recepção de dados para um usuário (atingindo ao máximo, hoje, de 9 Mbps), e chegando a 640 kbps (quilobits por segundo) de transmissão de dados para a rede (máximo de 1 Mbps). Um modem é colocado no cliente casa do usuário e outro modem é colocado na central telefônica. Estes dois modems estão permanentemente conectados. O modem divide digitalmente a linha telefônica em três canais separados:1.utilizado para transmissão de voz; 2. utilizado para o fluxo de informações no sentido usuário para rede; 3. utilizado para o fluxo de dados no sentido rede para usuário. A exata velocidade de dados obtida ao se utilizar ADSL é relativa à distância. O Velox, produto da Telemar, é baseado nessa tecnologia Cable Modem Lilian Noronha Nassif Cable Modem permite acesso a dados (por exemplo, acesso à Internet) através de uma rede de TV a cabo. O cable modem tem tipicamente duas conexões: uma para a saída de TV a cabo e outra para o computador (PC). A conexão com o PC se dá geralmente através de placa Ethernet. Tipicamente, um cable modem envia e recebe dados em dois sentidos diferentes. Na direção downstream (Internet para o usuário), o dado é modulado e colocado em um canal de televisão típico de 6 MHz. Na direção de upstream (usuário para a Internet), o dado é transmitido entre 5 e 42 MHz. Através do Cable Modem Termination System (CMTS), localizado na rede da operadora de TV a cabo local, o tráfego é roteado para o backbone Internet através de um Internet Service Provider (ISP). O serviço de Televisão a cabo a princípio deve ser um serviço de preço mais acessível que o DSL pois a rede é compartilhada com a vizinhança que possui esse mesmo serviço. O preço tende a ser mais barato pois os gastos são menores. O cabeamento de uma rede de TV a cabo é compartilhado passando de casa em casa diferentemente de como ocorre para as redes DSL, onde a companhia telefônica precisa instalar um modem DSL especial em cada casa que solicita o serviço e conectar com a central telefônica. Os mesmos motivos que fazem com que o Cable Modem seja mais barato, fazem também com que ele tenha menos segurança e bandwidth em alguns casos. Como foi dito, usa-se tecnologia Ethernet para se conectar os PCs. A Ethernet 140
5 funciona de forma a compartilhar o meio de comunicação. Portanto, se no segmento onde estiver determinada conexão com a Internet houver muitos assinantes desse serviço, a banda estará sendo compartilhada da mesma forma como ocorre em uma rede local. Na verdade, é como se fosse uma grande rede local. Esse número pode ser insignificante se houver grande banda disponível. Outro detalhe se refere à segurança. Os equipamentos da rede de TV a cabo filtram os pacotes para que somente o usuário destino os receba. Portanto, colocar um sniffer em determinado equipamento para buscar dados que estão circulando na rede pode não funcionar. Como é uma rede Ethernet, o broadcast funciona, e, portanto, de determinado equipamento pode-se enviar mensagens para todos e dessa forma conseguir verificar toda a vizinhança. 2.3 Satélites Internet via Satélite: as expectativas da comunicação em banda larga e as implicações tecnológicas De acordo com as leis de Kepler, pode-se dividir a órbita dos satélites em dois grupos, sendo elas circulares e não-circulares (elípticas). Outra caracterização é feita levando-se em consideração a altitude das órbitas, muito usada pelos engenheiros de comunicação. De acordo com a categorização apresentada em [OWK97], são circulares a órbita GEO (Geosynchronous Earth Orbit) cuja altitude é de Km; a órbita MEO (Medium Earth Orbit), que varia entre Km e Km de altitude; e a órbita LEO (Low Earth Orbit), associada a altitudes menores que 1.500km. Categoriza-se ainda como órbita não-circular a HEO (Highly Elliptical Orbit). Órbita Geoestacionária O raio da órbita geoestacionária considera um ponto onde o objeto deve se situar apresentando equilíbrio dinâmico entre as forças que atuam sobre ele, sendo elas a força gravitacional e a força centrífuga. Assim, aplicando-se as leis da mecânica e gravitacional de Newton, esse ponto de equilíbrio estaria situado a uma altitude de cerca de milhas ( km). Para se chegar a este valor, deve-se procurar o ponto onde Fg (força gravitacional) = Fc (Força centrífuga). Média e Baixa Órbita Nos primeiros estágios das comunicações via satélite (entre 1960 e meados de 1970), os satélites eram pequenos e era necessário haver grandes antenas terrestres para capturar o sinal emitido. Órbitas não-geoestacionárias foram pesquisadas para utilização de aplicações variadas que demandavam antenas menores, cobertura polar, entre outras necessidades. Atualmente, órbitas menores que as geoestacionárias são chamadas de MEO e LEO. Essa última é ainda subdividida nas categorias, little LEO (que utiliza freqüência de 800 MHz), big LEO (que utiliza freqüência de 2 GHz) e broadband LEO (que utiliza freqüência de 20 a 30 GHz) [Gare 97]. 141
6 Essas subdivisões de LEO levam em consideração o payload do satélite, suas bandas de freqüência e a variedade de serviços que fornecem[jama97]. Os sistemas de satélite littleleo não oferecem serviços de voz que podem ser oferecidos pelos sistemas bigleo. Órbita Elíptica Lilian Noronha Nassif Um sistema HEO típico é o Molniya, que foi lançado em 1965 pela União Soviética principalmente para comunicações domésticas. Molniya foi inicialmente um nome de um satélite, porém, mais recentemente Molniya tem sido o nome para a primeira órbita elíptica usada pelo sistema Molniya [OWK97]. Sendo as órbitas HEO não-circulares, existe um ponto da órbita onde o satélite está mais próximo da Terra que é chamado perigeu e um ponto onde o satélite encontra-se mais distante, denominado apogeu. A Tabela 1 apresenta uma comparação entre as órbitas aqui apresentadas. Tabela 1 Principais características das órbitas GEO, LEO e HEO Órbita Satélite Sistema típico Tipo Número de órbitas Altitude Apogeu Perigeu Período Peso GEO Inmarsa t Circula r Fonte: Mobile Satellite Communications Iridiu m Circula r Km 780 km 8 graus 8 graus LEO HEO Molniy a Oval 500Km Km 24 horas 1 hora 40 minuto s 12 horas Cerca de 1.500Kg Cerca de 700Kg Número 3 66 (11/órbita ) Mínimo ângulo elevação de Tempo de visibilidade Cerca de 1.000Kg 12 (3/órbita) 5 graus 8 graus 80 graus 24 horas 10 minuto s 8 horas Anatomia Os satélites compõem-se de muitas partes, mas duas são essencialmente comuns a todos e são chamadas de payload e bus. 142
7 Internet via Satélite: as expectativas da comunicação em banda larga e as implicações tecnológicas O payload é formado por todos os equipamentos que o satélite necessita para realizar o seu trabalho, tais como antenas, câmeras, radar e eletrônicos. Ele é diferente para cada satélite. Por exemplo, os satélites usados para meteorologia incluem câmeras para fotografar a formação das nuvens e os satélites de comunicação de TV incluem grandes antenas. O bus é a parte do satélite que sustenta todo o payload, mantendo-o no espaço. Ele fornece energia, computadores e equipamentos que permitem a comunicação do satélite com a Terra. (a) satélite (b) partes do satélite Figura 2 - Anatomia do satélite. (a) satélite (b) partes do satélite Funcionamento Um satélite nada mais é do que um repetidor de microondas no espaço. Circuitos eletrônicos no satélite recebem sinais transmitidos da estação terrena. Os sinais são fracos e precisam ser ampliados por LNAs (low-noise amplifiers) contidos no satélite. Os sinais são alterados para uma nova freqüência e são retransmitidos de volta à Terra. O satélite recebe um sinal debilitado devido à distância, amplifica-o e o transmite de volta à Terra. Ao conjunto receptor, translador de freqüência e transmissor é dado o nome de transponder. As bandas de freqüência são divididas em um número de canais de rádio. Sinais de rádio são enviados em cada canal, assim como ocorre nas transmissões de microondas terrestres. Cada canal de rádio precisa ter seu próprio transponder. O satélite precisa ter um número de transponders suficientes para cobrir toda a freqüência de banda designada para ele. Tipicamente, os modernos satélites de comunicação possuem 24 transponders [Noll91]. A energia é obtida através de painéis solares que captam e armazenam energia em baterias para períodos de eclipses. O satélite é monitorado da Terra e através de sinais de telemetria enviam informações de como os seus circuitos estão funcionando. Essas informações serão usadas para diagnosticar a situação, e em conseqüência o controle terrestre enviará comandos para reposicionar o satélite, ligando e desligando circuitos dos transponders [Card90]. 143
8 Lilian Noronha Nassif Bandas de freqüência Os nomes das bandas, tais como L, S, X, foram designados de forma aleatória. Na II Guerra Mundial, os EUA e a Inglaterra escolhiam as letras sem nenhum sentido para que o inimigo não soubesse do que se tratava [Dorn 99]. As principais bandas comerciais para satélites de telecomunicações são as bandas C, ku e ka. A banda C foi a primeira a ser atribuída para satélites comerciais, porém essa banda já está sobrecarregada uma vez que é utilizada por concessionárias de comunicações para microondas terrestres. A banda ku não está congestionada e possibilita que os satélites GEO fiquem a uma distância inferior a 2 graus de espaçamento, porém como o comprimento de onda diminui devido ao aumento da freqüência, a onda enfrenta o problema de ser absorvida pela chuva. A banda ka também pode ser utilizada para telecomunicações, porém os equipamentos necessários para utilizá-la são bem caros [Tane 94] Técnicas de multiplexação e métodos de múltiplo acesso Segundo Chevitarese [Chev99], multiplexação é a técnica de se agrupar sinais oriundos de diversas fontes em um mesmo sinal para compartilhar os meios de transmissão. As principais técnicas de multiplexação são FDM (Frequency Division Multiplexing) e TDM (Time Division Multiplexing). Múltiplo acesso pode ser entendido como a técnica para usar um canal de comunicação eficientemente compartilhado, no caso dos satélites, compartilhar seus recursos tais como banda de freqüência, potência, tempo e espaço para um grande número de usuários [HA96]. As três principais técnicas de múltiplo acesso utilizadas são: FDMA (Frequency Division Multiple Access), TDMA (Time Division Multiple Access) e CDMA (Code Division Multiple Access). Na TDMA os usuários revezam a utilização do meio e cada um obtém, por um determinado período de tempo, a largura de banda inteira. Na FDMA, o espectro de freqüência é dividido em canais lógicos, para que cada usuário possa utilizar uma das faixas para transmitir o tempo todo. Nos métodos FDMA E TDMA são compartilhados a largura de banda da freqüência e o tempo dos transponders dos satélites, respectivamente. No CDMA, os usuários compartilham ambos os recursos, freqüência e tempo, usando mutuamente um conjunto de códigos ortogonais. A melhor escolha para os esquemas de múltiplos acessos depende das características do tráfego a ser transmitido, tais como a duração das chamadas, a regularidade do tráfego e da taxa de dados requerida. FDMA possui um sistema simples de configuração e controle de rede. VSAT (Very Small Aperture Terminal) ainda usam esse método. TDMA requer sistemas complexos para sincronização e alta EIRP (Energia Isotrópica Efetivamente Irradiada) para transmissores móveis. É um método que tem alta eficiência e flexibilidade e será usado em comunicações pessoais via satélites através de LEO e GEO. 144
9 Internet via Satélite: as expectativas da comunicação em banda larga e as implicações tecnológicas CDMA tem a vantagem de não interferência e compartilhamento com outras redes de rádio, reusando a freqüência em sistemas de satélite de múltipla cobertura, além da capacidade de acesso randômico. Será este um método candidato para os sistemas de comunicação pessoal via satélite no futuro [OWK97]. 3. INTERNET VIA SATÉLITE Há vários projetos de comunicação de Internet via satélite. É necessário observar os detalhes para verificar os tipos de serviços oferecidos e os mercados que esses projetos pretendem abranger. Verificando a Tabela 2, observa-se que há seis projetos que possibilitam (ou possibilitarão) o serviço de Internet de banda larga em âmbito global. Há uma disputa acirrada para o mercado de banda larga, uma vez que pesquisas de mercado apontam um faturamento grande nesse segmento. Estudos realizados por empresas de consultoria confirmam que no mundo inteiro haverá entre 250 milhões e 500 milhões de usuários na Internet em Até 72 milhões de usuários residenciais estarão contratando serviços de banda larga e o ramo dos negócios estará gastando até U$100 bilhões em tais serviços até 2005 [Skyb]. Tabela 2 - Sistemas de comunicação que oferecerão serviços de dados em banda larga Sistema Astrolink Celestri M-Star Skybridge Teledesic WEST Cyberstar EuroSkyWay ExpressWay GE*Star Tipo de sistema de satélite Broadband GEO Broadband LEO Broadband LEO Broadband LEO Broadband LEO Broadband LEO Broadband GEO Broadband GEO Broadband GEO Broadband GEO H alo Outros (aircraft ) KaStar M2A Millenium Rostelesat Broadband GEO Cobertura Global 2003 Global Global Inicia operação em Cancelad o Cancelad o Global 2002 Global 2004 Global 2002 USA 1999 Europa, Mediterrâneo, África, Ásia, Leste europeu Global Américas, Europa, Ásia, Pacífico oeste e Caribe Los Anteles EUA e costa oeste EUA, América Central e do Sul, parte da Europa e México B roadband GEO Região da Ásia (Indonésia ) Broadband GEO Broadband GEO S kystation Outros (estação espacial ) SpaceWay Broadband GEO Fonte: Analysis consultancy América s Global 2002 Sem previsã o Sem previsão Sem previsã o Cancelad o Algumas áreas metropolitana s 2002 América do Norte 2003 Sem previsã o 145
10 Lilian Noronha Nassif Há também uma disputa sobre a melhor tecnologia a ser usada para oferecer esse tipo de serviço. Alguns projetos se baseiam em órbitas geoestacionárias e outros em baixa órbita, havendo argumentos técnicos para os dois lados, o que deixa os usuários na dúvida sobre a melhor solução, uma vez que esses projetos ainda não entraram em operação e portanto a comprovação do melhor desempenho entre eles é apenas uma análise especulativa. A seguir, apresentamos os principais projetos que têm previsão de oferecer serviços de Internet de banda larga, com abrangência global. São eles: Cyberstar, Astrolink, Teledesic, Spaceway e Skybridge. Através da Tabela 3, pode-se verificar resumidamente as diferenças de implementação de cada um. Tabela 3 Características dos projetos de serviço via-satélite C yberstar Celestri (*) Astrolin k Teledesi c Spacewa y Skybridge Empresas Utilização Loral Dado, víde o Motorola Voz, Dado, videocon-ferência Lockheed Dado, vídeo, telefonia rural Bill, Gates, Craig McCaw, Boeing, Motorola Voz, Dado, videocon-ferência GM-Hughes Dado, multimídia Altitude (milhas) e Espectro Tamanho da antena Throughput de dados Custo do terminal do usuário Custo do Sistema (U$bilhões) Ku (inicial) e Ka 16 polegadas (inicial Ku) 400 kbps (inical Ku); até 30 Mbps (Ka) U$800 (inicial Ku) e U$ 1000 (Ka) I nicia operação em (**) 1998(1999) 2002 Número de satélites Método de acesso 16 Kbps - 2 Mbps p/ satélite;16 Kbps- 60 Mbps p/ usuário; Qq múltiplo desse para empresas Comunica-ção intersatélite Ka e GHz Ka Ka 24 polegadas polegada s 10 polegada s 26 polegada s TBD Até 155 Mbps (transmissão e recepção) A partir de U$750 Até 9.6 Mbps Abaixo de U$1000 a U$ Kbps - 64 Mbps (até 2 Mbps em links simétricos) N/A Ka Até 6 Mbps Abaixo de U$1000 Alcatel e Loral U$1.05 U$13 U$ 4 U$ 9 U$3. 5 U$3. 5 TBD para Ku; 3 likely for Ka FDMA, TDMA Não definido Final 2000(2003) Voz, Dado, videoconferência Ku $500 (consumi-dor) 2002(2004) 2000(2003) 2001(2002) 63 LEOS, 9 GEOs inicialment e 64 FDMA, TDMA Sim FDMA, TDMA Sim MF-TDMA, ATDM Sim FDMA, TDMA Sim CDMA, FDMA, TDMA,WDMA Fonte: Byte Magazine, Novembro 1997 (*) A Celestri se incorporou à Teledesic em (**) As previsões de entrada em operação já foram todas alteradas desde A estimativa mais atual encontra-se entre parênteses, alterando a tabela original publicada pela Byte em 97. Não 3.1 Cyberstar O Cyberstar é um dos segmentos de negócios da Loral Space & Communication. A Loral tem atividades de manufatura e operações de sistemas de satélites GEO e 146
11 Internet via Satélite: as expectativas da comunicação em banda larga e as implicações tecnológicas LEO e no desenvolvimento de redes baseadas em satélites para provisionar um conjunto de comunicações e serviços. A Loral é organizada em quatro segmentos de negócios: Manufatura e tecnologia de satélite (Space System/Loral); Serviços fixos de satélite (Loral Skynet, Satmex, EuropStar e Loral Global Alliance); Serviços de dados de banda larga (Cyberstar e Loral Orion); Telefonia Global (Globalstar). A Space System/ Loral projeta e constrói avançados satélites para colocação em órbitas GEO e LEO, oferecendo nesses artefatos possibilidades de aplicações comerciais e governamentais. Desde 1957 ela já construiu 196 satélites. A Loral entrou no negócio de serviços de satélite ao adquirir, em 1997, a Loral Skynet. Posteriormente ela comprou 75% da Satmex (Satélites Mexicanos S. A.) e em 1998 adquiriu a Orion Network System, assegurando à Loral licenças de cobertura na Europa, América Latina e Ásia. Dessa forma, a Loral totaliza 10 satélites em órbita. Em 2002 a Loral pretende ter 16 satélites com 711 transponders. Através desses sátelites ela oferece serviços fixos de satélites, tais como distribuição de programação de TV a cabo, vídeos ao vivo para reportagens e eventos esportivos, programação direct-tohome (DTH), ensino a distância e outros serviços específicos de televisão. No segmento de serviços de dados de banda larga, a Loral é líder no fornecimento, baseado em satélite, de serviços de dados de rede privada na Europa e também líder no fornecimento de acesso aos provedores de Internet. A maioria dos ISPs (Internet Service Provider) quer alta bandwidth para os EUA, onde estão 70 a 80% do conteúdo da Internet. Para complementar os seus serviços, em 1998 a Loral introduziu o Cyberstar que oferece soluções de rede de negócios usando comunicações de banda larga. O Cyberstar faz transferência de arquivos em alta velocidade, ensino a distância, vídeo e áudio e ultimamente comércio eletrônico. Através de um conjunto de serviços que a Loral chama de WordCast, pode-se obter soluções Internet incluindo IP multicast, distribuição multimídia e conexão Internet dedicada. A Loral combina as vantagens da infra-estrutura terrestre em fibra óptica com as comunicações via satélite para criar redes multicast globais. Figura 3 - Esquema de comunicação híbrida do Cyberstar 147
12 A Figura 3 mostra uma solução híbrida de comunicação oferecida pela Loral. O download intenso de páginas Web é feito pelas redes de satélite, enquanto as pequenas requisições Web são transportadas através de fibras ópticas terrestres existentes. Os serviços de telefonia global oferecido pela Loral está sedimentado no Globalstar, que é um serviço simples e confiável de telefonia, que permite aos usuários estarem em qualquer lugar do mundo com o mesmo telefone, o mesmo número e a mesma conta telefônica. É um consórcio internacional de companhias telefônicas, lideradas pela Loral. O Globalstar irá oferecer não somente voz, mas também transmissão de dados, paging, fax e localização de posição através de 48 satélites de baixa órbita [Lora]. 3.2 Astrolink As empresas parceiras e co-proprietárias são: Liberty Media, Lockeheed Martin Global Telecommunications, Telespazio (uma companhia da Telecom Italia Group) e TRW Space& Eletronics Group. A Astrolink recebeu licença da FCC em maio/97 e pretende oferecer serviços de banda larga com velocidades de download de até 110 Mbps. A arquitetura da Astrolink se baseia em satélites dispostos em órbitas geoestacionárias e em alguns artigos da empresa [Astr] defende essa decisão de projeto, inclusive atacando fortemente os projetos que utilizam LEO para prover serviços de banda larga. Serão usados até nove satélites geoestacionários de 2 ª geração em cinco posições orbitais. Estima-se que o mercado da Astrolink será voltado para clientes corporativos de empresas multinacionais, para pequenas e médias empresas e eventualmente clientes individuais [Astr]. 3.3 Teledesic Os gurus da Telecomunicação e da Informática, respectivamente Graig McCaw e Bill Gates, se uniram para realizar um grande projeto global, Internet in the sky. Em 1990, a Teledesic ( tele de telecomunicações - desic, uma rede com muitos pontos iguais de comunicação) foi fundada com o capital pessoal desses dois grandes nomes da área tecnológica. A Teledesic tem como finalidade construir e lançar uma rede de satélites de comunicação de baixa órbita com possibilidade de acessar a Internet com larga banda de comunicação para todo o mundo. Isso implica em um investimento de U$ 9 bilhões. Histórico dos Parceiros da Teledesic Lilian Noronha Nassif A Teledesic iniciou-se com o capital de MacCaw, Bill Gates e AT&T Wireless, uma empresa do segmento de celulares da AT&T. MacCaw havia vendido sua 148
13 Internet via Satélite: as expectativas da comunicação em banda larga e as implicações tecnológicas empresa MacCaw Cellular Communications Inc. para a AT&T por U$11 bilhões em 94. Ele é considerado o pioneiro nos EUA no ramo de celulares. Participam também como acionistas da empresa, a Boeing, o príncipe saudita Alwaleed Bin Talal, a Matra Marconi Space e a Motorola. A Boeing se uniu à Teledesic em 1997, com uma participação de U$100 milhões. Ela seria a primary contractor no projeto Teledesic, responsável por alistar os fornecedores, os fabricantes de satélite e os lançadores de foguetes. A entrada da Boeing também fez com que algumas partes do projeto técnico inicial fossem alteradas, como veremos a seguir no texto em Características Técnicas do Projeto Teledesic. A entrada da Boeing contribuiu para atrair outros investidores [Hala 97]. A Motorola tinha um projeto similar ao da Teledesic, o Celestri, que seria uma rede de combinação de satélites de baixa órbita e órbitas geoestacionárias, além de pontos fixos na Terra. O projeto era orçado em U$13 bilhões. A entrada da Motorola no projeto teve um significado muito especial: além de passar a ser a primary contractor, eliminou a concorrência para o mesmo tipo de serviço proposto pela Teledesic. Calcula-se que o investimento da Motorola será de U$750 milhões. A Motorola, por ter feito o projeto Iridium, é a mais capacitada nesse grupo, uma vez que provou ser capaz de executar todo o projeto do início ao fim. O trabalho e o esforço que a Motorola estava dedicando ao Celestri será todo convertido para a Teledesic. A Motorola entrou oficialmente para o projeto em 1998 [Wils98]. A Matra Marconi é uma empresa européia, construtora de satélites e vem agregar ao projeto a experiência em comunicação de satélites. A Microsoft, como muitos pensam, não é uma investidora do projeto, mas sim a personalidade Bill Gates [Tele]. Características Técnicas do Projeto Teledesic O projeto inicial previa o lançamento de 840 satélites em baixa órbita (LEO), a 435 milhas (cerca de 700km). O custo estimado de cada satélite era de U$6 milhões. Com a entrada da Boeing no projeto, algumas alterações foram feitas e de acordo com os novos técnicos que se incorporaram, o número de satélite passou para 288, a serem lançados a uma altura de 850 milhas (cerca de 1.375km). Os satélites estarão dispostos em 12 planos, contendo 24 satélites cada [Tele]. A diminuição do número de artefatos faz com que caia o investimento para se realizar o lançamento dos mesmos. Em compensação, os satélites precisam estar a uma altitude mais elevada e serem mais potentes. Os satélites farão uma volta na Terra em 113 minutos, a uma velocidade de milhas por hora. A longevidade dos satélites é de 10 anos. Como alguns satélites serão lançados em 2 a 3 anos antes da constelação toda entrar em operação, estima-se que alguns satélites deverão ser repostos antes de se completarem 10 anos de utilização da rede. 149
14 Os satélites serão construídos com materiais de metal, grafite epoxy e baterias de lítio. Algumas inovações tecnológicas em grande escala também serão usadas, como os lasers ópticos que conectam os satélites [Tele]. Será utilizada a banda Ka de alta freqüência de rádio, de 28.6 a 29.1 GHz para uplink e de 18.8 a 19.3 GHz para downlink. Para evitar o efeito rain fade, devese ter uma visibilidade de 40 graus do satélite. As velocidades de conexão para a Internet poderão chegar a 64Mbps para downlink e 2 Mbps para uplink, o que equivale a um acesso 2000 vezes maior do que os atualmente oferecidos pelos modems analógicos [Tele]. Os usuários utilizarão o serviço através de uma antena a ser colocada no telhado de suas casas e pagarão pela utilização e não por uma linha dedicada. Isso significa que não há uma última milha diferente utilizando-se de outro recurso terrestre de comunicação, do tipo fibra ou rádio. Será utilizado o TDMA (Time Division Multiplex Access), uma vez que para se usar altas larguras de banda o CDMA não é apropriado [Gild 94]. Já para os serviços específicos de telefonia, o CDMA é mais adequado pois espalha o espectro de comunicação diferenciando sinais por código. 3.4 Spaceway Lilian Noronha Nassif A empresa que tem como projeto o Spaceway é a Hughes Eletronics Corporation. O interesse da Hughes é tamanho com relação à comunicação de banda larga via satélite que em janeiro/2000 a corporação anunciou a maior mudança em sua estrutura. A Hughes venderá à Boeing o seu segmento de operações de sistemas de satélite, se concentrando, com as operações remanescentes, em dois focos distintos: entretenimento do consumidor e comunicação de empresas. A Hughes tem unidades que são líderes de mercado, destacando-se a DIRECTV, a PanAmSat e a Hughes Network Systems (HNS). A DIRECTV é a maior fornecedora do mundo de direct-to-home, com mais de 9 milhões de assinantes no mundo todo [Hugh]. A PanAmSat, empresa na qual a Hughes é proprietária com 81%, é uma das maiores operadoras comerciais de comunicação de satélite e a HNS oferece serviços de rede de comunicação privada baseada em satélite. Com relação ao serviço Internet, a Hughes oferece o DIRECPC, que possibilita acesso a 400kbps, o que corresponde a três vezes a velocidade oferecida pelo ISDN que é de 144Kbps. A Hughes negociou com a Compaq para que os micros Presário sejam oferecidos ao consumidor, já com o pacote DIRECPC contendo antena e modem satélite [Hugh]. O DIRECPC se comunica com um Hub e este com os satélites. O serviço está em operação desde 1995 nos EUA, tendo sido lançado em 1996 no Japão e na Europa, e vem expandindo o seu mercado desde então, mas não oferece cobertura global [Hugh]. 150
15 A Hughes pretende investir no Spaceway para oferecer serviços de banda sob demanda, utilizando-se de um sistema de satélites combinado com infra-estrutura terrestre. As intranets corporativas poderão realizar downlink de até 6Mbps, sem utilizar Hub [Hugh]. O sistema tem previsão de se iniciar em 2002 nos EUA com dois satélites geoestacionários da Hughes (HS702). O acesso se dará através de terminais de 26 polegadas. O sistema já recebeu a designação das freqüências Ka que irá operar [Hugh]. No segmento de banda larga, a Hughes tem ainda investido em equipamentos, como o modem de alta velocidade, modelo CS2500, que pode ser acoplado às redes de TV a cabo, possibilitando velocidades de até 45Mbps para a Internet. 3.5 Skybridge Internet via Satélite: as expectativas da comunicação em banda larga e as implicações tecnológicas O sistema de satélite projetado para o projeto Skybridge prevê 80 satélites em baixa órbita (até junho de 1998 a constelação era de 64 satélites), oferecendo serviços de banda larga para empresas e usuários finais, sendo uma opção para as limitações do loop local do sistema de telefonia, além de oferecer alta conexão para a Internet e para um bakcbone global. Os segmentos de mercado que pretende atingir são, além dos usuários domésticos, as empresas no geral, hospitais e escolas. Além dos serviços de banda larga, o Skybridge poderá oferecer posteriormente os serviços de faixa estreita como voz e fax, uma vez que será possível entregar esse serviço em zonas rurais e onde o mercado demandar. O sistema será composto de dois sub-sistemas principais, sendo eles: 1. O segmento espacial, que é de propriedade da Skybridge Limited Partnership e operado por ela; 2. O segmento terrestre, que será composto de estações terrenas (gateways) de propriedade e operacionalização dos fornecedores de serviços regionais, e os terminais dos usuários finais, que serão comprados ou alugados pelos clientes. Será utilizada a banda Ku, e a constelação de satélites estará a uma altitude de Km. Para cobertura global espera-se a utilização de 200 gateways que estarão interfaceados com redes terrestres através de switch ATM. O preço dos terminais residenciais será de U$700. Em novembro de 1997 a Skybridge L P anunciou novos parceiros no projeto, sendo eles Mitsubishi Eletric Corporation, Sharp Corporation of Japan, SPAR Aerospace Limited of Canada, Aerospatiale of France, The Société Régionale d Investissements de Wallonie, Toshiba Corporation e Loral Space & Communications Corporation. O projeto Skybridge é liderado pela gigante do ramo das telecomunicações mundial, a Alcatel Alsthom. A Alcatel e a Loral fizeram um acordo de parceria nos projetos de satélites Skybridge e Cyberstar. Os projetos serão gerenciados separadamente, porém ambas as empresas participarão do de- 151
16 Lilian Noronha Nassif senvolvimento dos dois projetos facilitando uma aproximação das redes, inclusive estratégia de marketing. Em janeiro de 1998, outro parceiro se juntou ao projeto, o CNES (Centre National d Études Spatiales - France). Em setembro de 1998, a COM DEV International Ltd., em conjunto com sua filial COM DEV Satellite Communications Ltd., do Canadá, uniu-se ao consórcio Skybridge, como parceiro industrial. 4. CONSIDERAÇÕES SOBRE A INTERNET VIA SATÉLITE O uso da Internet via satélite necessita da análise de diversos fatores que podem influenciar nas decisões de projeto. Destacam-se os problemas de ordem física e os das tecnologias atualmente existentes que estariam sendo adaptadas para disponibilização nesse meio de comunicação. Verificamos neste trabalho alguns desses detalhes técnicos que analisamos a seguir. 4.1 LEO x GEO - Considerações sobre Latência, Quantidade de Satélites e Tamanho da Antena Até 1980, os satélites eram colocados em órbitas equatoriais, no Belt Clark, situado a km de distância da Terra. Nessa distância são necessários apenas três satélites para cobrir todo o globo, porém, um dos grandes dificultadores para se fazer uso dessa órbita para a Internet e telefonia, deve-se ao retardo causado pela propagação do sinal no espaço livre. O atraso do sinal é da ordem de 1/4 do segundo. Uma conversação via telefone com esse atraso torna-se impraticável. Para se diminuir o atraso causado pela propagação do sinal e também para proporcionar serviços móveis, que preferencialmente precisam usar terminais pequenos com antenas pequenas, seria necessário o uso de satélites mais próximos da Terra. Quanto mais próximos da Terra, menor a potência requerida pelos satélites e pelos terminais. Isso se deve ao fato de a perda do sinal estar relacionada com a distância. A potência do sinal eletromagnético é atenuada pelo quadrado da distância que o sinal propaga [Jama 97]. Por exemplo, se a distância entre o transmissor e o receptor duplica, é necessário quadruplicar a potência no transmissor para se ter o mesmo nível de potência no receptor. Os satélites que estão situados em baixa órbitas (LEOs), estão 60 vezes mais próximos da Terra do que os satélites GEO. A altitude de LEO varia entre 400 e milhas de altitude. O problema de se utilizar LEO é que a quantidade de satélites para cobrir toda a Terra é muito maior do que quando se utiliza GEO. No exemplo da Teledesic, que fará uso dessa órbita, serão necessários 288 artefatos. As aplicações de broadcast e muticasting, que é o caso das TVs via satélites, ou seja, distribuição de vídeo, são comprovadamente boas para serem usadas nas órbitas 152
17 Internet via Satélite: as expectativas da comunicação em banda larga e as implicações tecnológicas GEO, uma vez que o atraso para comunicações de apenas um sentido não causa grandes perturbações no sistema. Os satélites GEO têm muitas vantagens, tais como ampla cobertura, alta qualidade de comunicação e eficiência econômica. Como ele está sincronizado com o movimento da Terra, o processo de tracking torna-se mais simples do que as órbitas não-geoestacionárias. Ao se utilizarem órbitas LEO, o tempo em que o satélite se torna visível da Terra varia de 20 a 30 minutos até sumir no horizonte. Um link de comunicação deve ser transferido para outro satélite antes do primeiro sumir. Dessa forma, o problema é sanado tendo-se sempre pelo menos dois satélites visíveis em qualquer ponto da Terra. O roteamento entre os satélites requer mais inteligência nos equipamentos [Mont97]. Custo Tabela 4 Comparação entre LEO, MEO e GEO do satélite LEO Máxim o MEO Mínim o Fontes: Low Earth Orbital Satellites for Personal Communication Networks Mobile Satellite Communications Médio Tempo de vida do satélite (anos) Terminal hand-held Atraso Perda de propagação de Propagation Complexidade Hand off Período Visibilidade da rede de desenvolvimento do satélite Possíve l Pequeno Baix a Complex a Muit o Longo Curta Possíve l Médio Média Média Médio Curto Média GEO Muito difíci l Grande Alta Simple s Nenhu m Longo Sempre Os argumentos a favor dos sistemas LEO se qualificam com as limitações dos sistemas GEO. Entre elas, [Jama97] acrescenta que os sistemas GEO não cobrem as latitudes polares, além de que o cinturão de Clark tem um limite para comportar um número de satélites à mesma distância da Terra, fato esse teoricamente sem limite para as órbitas LEO, dando aos projetistas de sistemas de satélite muito mais flexibilidade na arquitetura de rede. Essa escolha teoricamente infinita não é totalmente verdade, pois os satélites LEO e MEO devem se situar entre os cinturões de Van Allen, que são regiões altamente radioativas. Para se minimizarem os danos de radiação aos componentes dos satélites, comprometendo o tempo de vida dos mesmo e evitando materiais mais sofisticados e blindagem, colocam-se os satélites fora desses cintos. 153
18 4.2 Fibra Óptica X Satélite Lilian Noronha Nassif Satélite e fibra óptica não são necessariamente tecnologias concorrentes, mas sim complementares. Segundo [Tele], 15% da superfície da Terra é servida por redes de telefone celular e metade da população está a 2 horas do telefone mais próximo. Nos EUA, para se disponibilizar uma linha T1 (1,5Mbps) leva 30 dias. O lançamento de fibras ópticas é na taxa de 4000 milhas/dia nos EUA. A essa velocidade levaria 139 anos para atingir todas as casas e empresas. Em [Mont97], o grande argumento de que satélite de banda larga e fibra óptica são complementares baseia-se na lógica de que os satélites irão fornecer serviços de alta velocidade onde a infra-estrutura terrestre ainda não existe. Uma das desvantagens dos satélites em relação às fibras ópticas é que eles não são facilmente reparados e o meio utilizado está sujeito a muitas interferências. As vantagens desses sistemas se consolidam na natural capacidade de realizar broadcast, alcançar áreas geograficamente remotas que têm pouca infra-estrutura terrestre e a habilidade de atingir os usuários móveis [AGLS99]. Atualmente, o sistema de telefonia possui em seu loop local a utilização de fios de cobre. Isso significa que para um usuário doméstico acessar a Internet, ele deverá utilizar modems cuja velocidade maior é de 56Kbps. Quando muito, algumas empresas de telecomunicações chegam a disponibilizar o serviço ISDN com possibilidade de uso da banda básica de 144Kbps. Portanto, Internet via fibra óptica para um usuário doméstico ainda é um plano distante. Vale saber que o que se tem de cobre nos loops locais de todo o mundo corresponde à distância de se ir da Terra à Lua e voltar à Terra na ordem de vezes. Houve uma época em que 80% do capital da AT&T estavam concentrados nesses fios de cobre [Tane94]. Outras alternativas de acesso de usuários domésticos à Internet são portanto uma realidade. Esse serviço vem se traduzindo em meios físicos guiados das redes de TV a cabo e na conexão via satélite. No passado, o satélite era o único capaz de transferir dados de telecomunicações e possibilitar o broadcast de televisão que alcançassem longas distâncias. Recentemente, com o advento da tecnologia de fibra óptica, várias empresas e países estão optando por utilizar fibra óptica para conectar seus sistemas de telefonia. As fibras ópticas oferecem melhor qualidade e confiabilidade em comparação aos canais de satélite, além de que, pelo fato de poder incluir milhares de canais de comunicação em uma mesma instalação, o custo pode ser bem reduzido. O questionamento que se faz à fibra óptica é que para aplicações móveis ou mesmo fixas em áreas remotas, ela ainda não está disponível e portanto os sistemas de satélite, nessas situações, serão a opção mais viável por um longo período [Jama97]. 154
19 4.3 TCP Internet via Satélite: as expectativas da comunicação em banda larga e as implicações tecnológicas O TCP (Transport Control Protocol), protocolo da camada de transporte da pilha de protocolos TCP/IP utilizada na Internet, não exige um serviço de rede confiável, sendo ele o responsável pela recuperação de dados perdidos, duplicados, corrompidos ou entregues fora de ordem. Os mecanismos de funções de controle de fluxo e de controle de erros exigem que o TCP tenha informações sobre cada conexão. Quando dois processos quiserem se comunicar, o TCP irá estabelecer a conexão, alocando os recursos para tal e utilizando o algoritmo three-way handshake. Este procedimento certifica que um pacote e sua confirmação não torne uma operação duplicada para situações de repetição de envio de dados. Para um mesmo período T não pode haver duas unidades do protocolo TCP (T-PDU) com numerações idênticas [SLC95]. O que faz com que pacotes sejam retransmitidos é a finalização do tempo no transmissor para receber confirmação do pacote enviado. Em situações de congestionamento da rede, o pacote de ack vai atrasar e portanto será reenviado, podendo gerar a execução da mesma tarefa duas vezes caso o protocolo de transporte não identifique esse problema. O TCP fornece confiabilidade de entrega de dados através do caminho de rede incluindo redes de satélite. Há vários mecanismos do IETF que possibilitam ao TCP ser mais efetivo para utilizar a capacidade disponível na rede [AGLS99]. A eficiência do TCP não é a única consideração ao se utilizar rede de satélite. Deve-se levar em conta também o protocolo de enlace, a aplicação, o tamanho do buffer do roteador, o enfileiramento de pacotes, etc. Focalizamos a seguir as melhorias que podem ser feitas considerando o protocolo TCP. O atraso de propagação para uma mensagem (estação terrestre-satélite-estação terrestre) e sua confirmação correspondente é chamado de RTT (Round Trip Time). Para estações GEO, o RTT é de 558 ms. Para os sistemas LEO, o atraso de propagação é da ordem de no máximo 80ms na pior das hipóteses, quando o satélite está no horizonte, sendo esse tempo menor se o satélite está sobre o ponto de comunicação. Como em sistemas LEO se usa uma constelação grande de satélites para manter uma cobertura constante, é necessário utilizar comunicação inter-satélite, o que tornará o atraso de propagação muito variável dependendo do roteamento feito através da rede. Segundo [AGLS99], as características dos sistemas de satélite que degradam o desempenho do TCP são: 1. Longo retorno das confirmações. Devido ao atraso de propagação em sistemas GEO, o TCP leva tempo para determinar se o pacote chegou ou não ao destino final, o que pode atrapalhar aplicações interativas. 155
20 Lilian Noronha Nassif 2. Resultado alto de DBP = atraso*largura de banda. O DBP (Delay Bandwidth Product) define a quantidade de dados que um protocolo deve ter in flight (dados enviados, mas sem receber ack - acknowledge) a qualquer tempo para utilizar completamente a capacidade disponível do canal. O TCP deve manter muitos pacotes in flight porque o RTT é alto. 3. Erros de transmissão. O BER (Bit Error Rate) é maior para os canais de satélite do que para redes terrestres. O TCP usa todos os pacotes descartados como sinal de congestionamento e dessa forma reduz seu tamanho de janela na tentativa de aliviar o congestionamento. Na falta de conhecimento de como um pacote foi descartado, o TCP assume que o descarte foi devido ao congestionamento, diminuindo assim sua janela deslizante. 4. Uso assimétrico. Devido ao alto custo dos equipamentos usados para enviar dados para satélites, utilizam-se freqüentemente redes assimétricas onde a estação recebe dados de satélite e envia por modem uma vez que o uplink tem menos capacidade que o donwlink. 5. RTT variável. Para os sistemas LEO, devido ao uso dos links intersatélites, o atraso de propagação varia de acordo com o roteamento escolhido e com a capacidade de processamento dos satélites. Logo, o RTT ainda é uma questão em discussão. 6. Conectividade intermitente. O handoff muito intenso em órbitas que não sejam geoestacionárias pode gerar perda de pacotes. 5. CONCLUSÕES Os tradicionais acessos a 56Kbps estão se tornando insuportáveis frente às novas aplicações da Internet. Três tecnologias são concorrentes para prover um acesso de mais alta velocidade para usuários domésticos e pequenos grupos de equipamentos, sendo elas Cable Modem, DSL e Satélite. O acesso à Internet via Cable Modem é provido pelas operadoras de TV a cabo e os serviços xdsl são providos pelas companhias telefônicas. Um novo provedor desse serviço está em via de entrar na disputa desse segmento de usuários que são os provedores de serviços de Internet via Satélite. Para os municípios brasileiros, que desejam implantar projetos de acesso democrático e popular à informação, concretizando esse acesso através do uso da Internet, é necessário conhecer um pouco sobre estes serviços, benefícios e principalmente abrangência geográfica, pois nem todas as tecnologias estão disponíveis em todos os lugares. Outra visão que se pode inferir é sobre a capacidade do município de estar conectado à grande rede com alta velocidade, ou seja, quais as opções de acesso para os munícipes. 156