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HAPS and Artificial Satellites Unlocking the Non-Terrestrial Network Era of Beyond 5G/6G
O que é uma rede não terrestre (NTN)?
Uma rede não terrestre (NTN) é um tipo de rede de comunicações sem fios utilizada para aplicações como as comunicações móveis. O termo refere-se a redes multicamadas que ligam estações de base terrestres, navios no mar, estações de plataformas a grande altitude (HAPS) e satélites de comunicações no espaço.
Estas caraterísticas permitem que uma NTN ultrapasse as limitações das redes terrestres, expandindo drasticamente a cobertura da infraestrutura de comunicações para incluir áreas como vales de montanhas e zonas do oceano distantes da terra.
Entre as redes não terrestres, este artigo centra-se nas redes de comunicações sem fios que incluem elementos a grandes altitudes, muito acima da terra e do mar. A I&D, os bancos de ensaio e as demonstrações estão a começar a ser implementados como parte dos planos para o desenvolvimento de redes não terrestres na estratosfera e no espaço exterior, em preparação para o advento da norma de telecomunicações da próxima geração conhecida como Beyond 5G (Sistema de Comunicações Móveis de 5.ª Geração, B5G)/6G (Sistema de Comunicações Móveis de 6.ª Geração).
Da estratosfera ao espaço exterior. Configuração e caraterísticas das redes não terrestres (NTN).
Como mostra a figura 1, uma rede não terrestre implantada nos céus seria composta por diferentes tipos de equipamento de transmissão, para os quais uma maior altitude corresponde a uma maior área de cobertura. Naturalmente, quanto maior for a distância à superfície da Terra, maior será o atraso do sinal, e os diferentes tipos de equipamentos de transmissão serão utilizados para fins diferentes consoante a sua localização, no espaço exterior ou na estratosfera, ou ao nível do solo. Isto permite construir uma infraestrutura de comunicação com um alcance de cobertura mais vasto do que era possível anteriormente, de tal forma que poderemos dizer que "nenhum ponto da Terra está fora de alcance".
De seguida, apresentamos uma visão geral e uma descrição das caraterísticas dos satélites artificiais (GEO e LEO) e das aeronaves não tripuladas (HAPS) que compõem a rede não terrestre apresentada na Figura 1.
Satélite Geoestacionário (GEO)
Um satélite geoestacionário ou satélite de órbita terrestre geoestacionária (GEO) é o componente das redes não terrestres para B5G/6G que funciona a maior altitude. Estes satélites artificiais estão posicionados a cerca de 36 000 km acima do equador da Terra. Orbitam a Terra a uma velocidade que corresponde à velocidade de rotação da Terra, pelo que parecem estar parados sobre um ponto específico no solo. De um modo geral, os satélites meteorológicos que prevêem o tempo com base nas condições meteorológicas numa vasta área pertencem a esta categoria de satélites.
Os GEO utilizados nas redes de comunicações operam a grande altitude, o que lhes permite comunicar com uma vasta área. Diz-se que três ou quatro satélites deste tipo seriam capazes de cobrir toda a superfície da Terra. No entanto, a distância a que se encontram do solo faz com que tenham um atraso na transferência de dados superior ao de outros tipos de equipamento de transmissão e a sua velocidade de transferência de dados é geralmente da ordem de vários megabits por segundo (Mbps). Além disso, uma vez que o envio de sinais para a superfície da Terra exige uma potência elevada, os satélites GEO tendem a ser maiores do que os satélites de órbita terrestre baixa (LEO), a seguir referidos, e o seu lançamento em órbita exige foguetões maiores.
Satélite de órbita terrestre baixa (LEO)
Um satélite de órbita terrestre baixa (LEO) é um tipo de satélite artificial que opera no espaço, mas numa órbita terrestre mais baixa*1 do que uma GEO, normalmente a uma altitude de várias centenas a 2.000 km. Ao contrário dos satélites geoestacionários (GEO), não estão sincronizados com a rotação da Terra.
O Telescópio Hubble e a Estação Espacial Internacional (ISS) também operam a baixa altitude, utilizando uma órbita terrestre baixa de cerca de 400 km, no máximo. No entanto, diz-se que os LEOs utilizados nas NTNs serão posicionados a altitudes de cerca de mil e várias centenas de quilómetros.
Os LEO operam a altitudes mais baixas do que os GEO, permitindo a transferência de dados com um atraso reduzido e utilizando sinais de baixa saída. Estes satélites podem também ter uma dimensão mais pequena. Os LEO suportam velocidades de comunicação com a superfície da Terra de várias centenas de megabits por segundo (Mbps), pelo que se diz que poderão ser utilizados para serviços que permitam a comunicação direta entre os telemóveis smartphone e os satélites.
Por outro lado, como os LEO operam a altitudes mais baixas do que os GEO, a área de cobertura de cada satélite é mais estreita e os satélites que operam em órbitas terrestres baixas têm uma velocidade orbital mais elevada. Isto significa que é necessário recorrer a "constelações de satélites" constituídas por múltiplos pequenos LEO que operam em coordenação, a fim de proporcionar uma comunicação estável nestas condições. O termo "constelação" é uma referência às constelações de estrelas e é utilizado para designar um grupo coordenado de LEO.
*1 A definição de "órbita terrestre" varia consoante os países e as organizações. Por exemplo, a Agência Espacial Europeia (ESA) define a órbita terrestre como a órbita da Terra a uma altitude até 1.000 km, enquanto a Agência de Exploração Aeroespacial do Japão (JAXA) especifica uma altitude até 2.000 km.
Estação de Plataforma de Grande Altitude (HAPS)
Uma estação de plataforma de alta altitude (HAPS), por vezes designada por plataforma de comunicação estratosférica, é uma aeronave não tripulada (algumas são como aviões, enquanto outras assumem a forma de balões ou dirigíveis) que voa através da estratosfera a uma altitude de cerca de 20 km e que funciona como uma estação de base de comunicação aérea.
De um modo geral, os aviões a jato de passageiros podem atingir altitudes até cerca de 10 km, e a parte da estratosfera em que uma HAPS opera é cerca do dobro dessa altitude. A esta altitude, as correntes de ar e as condições climatéricas são comparativamente estáveis, havendo pouca resistência do ar. Uma vez que a densidade do ar é inferior à necessária para uma aeronave não tripulada conseguir a necessária elevação dinâmica, diz-se que os modelos operacionais de HAPS transportarão painéis solares ou baterias que lhes permitirão permanecer no ar continuamente durante várias semanas de cada vez.
Enquanto as estações de base terrestres têm geralmente uma área de cobertura que abrange um raio de alguns quilómetros a algumas dezenas de quilómetros, uma única HAPS terá provavelmente uma área de cobertura que abrange um raio de cerca de 100 km. Além disso, como estão mais próximos da superfície da Terra do que os satélites artificiais que operam no espaço, espera-se que desempenhem um papel importante na nova infraestrutura de comunicação para B5G/6G devido ao seu atraso mínimo na transferência de dados. No entanto, uma vez que a estratosfera ocupa o espaço aéreo territorial de diferentes nações, ao contrário do espaço exterior, pode dizer-se que o estabelecimento de um quadro jurídico em cada país será fundamental para a implementação internacional das HAPS e para a prestação de serviços de comunicação.
Vantagens e tendências das redes não terrestres (NTN) para B5G/6G
Em conclusão, discutiremos as vantagens e as tendências das redes não terrestres.
Vantagens das redes não terrestres (NTN)
Uma grande vantagem das redes não terrestres, que, ao contrário das redes terrestres, incluem elementos que operam na estratosfera e no espaço exterior, é o facto de poderem fornecer uma infraestrutura de comunicação que não é relativamente afetada por catástrofes naturais, como terramotos ou tsunamis.
Além disso, têm o potencial de expandir drasticamente a área de cobertura, de tal forma que nenhum ponto da Terra fica fora de alcance. Isto permitirá que as pessoas utilizem os seus smartphones para comunicar em situações de emergência, mesmo que se encontrem em locais onde anteriormente a comunicação era difícil, como vales montanhosos ou no mar.
Consequentemente, será possível manter a infraestrutura de comunicações em caso de emergência, como catástrofes naturais ou acidentes, independentemente da localização, e alargar a rede de comunicações móveis a áreas cada vez mais vastas, sem interrupções, evitando problemas quando se está nas montanhas ou a viajar por mar.
Tendências das redes não terrestres (NTN)
Uma das grandes caraterísticas das redes não terrestres é a notável tendência para a participação ativa de empresas privadas. No passado, a maioria dos projectos espaciais eram iniciativas nacionais, mas hoje em dia uma grande variedade de empresas de todo o mundo, não só no domínio do hardware mas também em domínios como os serviços de comunicação, estão a associar-se e a participar em projectos aeroespaciais, incluindo o negócio das redes não terrestres.
Os exemplos incluem o desenvolvimento e o fabrico de satélites artificiais e HAPS, de componentes utilizados nos mesmos e de equipamento de telecomunicações (cargas úteis) neles carregado. Uma vasta gama de empresas está envolvida nestes empreendimentos comerciais, incluindo algumas que operam foguetões que transportam satélites artificiais para o espaço. Em particular, o domínio das comunicações móveis da próxima geração, denominado B5G/6G, está a servir de ponto de partida para o rápido crescimento das empresas que servem um mercado de dimensão mundial.
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