Tese de mestrado integrado. Engenharia Electrotécnica e de Computadores. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2010

Esse trabalho apresenta o estudo e a implementação da modulação codificada em treliça multidimensional 4D-8PSK TCM, recomendada pelo Consultative Committee for Space Data System (CCSDS) para canais de alta taxa de bits em missões de Serviço de Exploração da Terra por Satélite (Earth Exploration Satellites Service - EESS). O principal conceito decorre de que, através da codificação em treliça aplicada a um conjunto de sinal expandido (em relação ao QPSK não codificado), ambas as eficiências em potência e banda são atingidas, considerando um canal linear e ruído aditivo gaussiano branco (Additive White Gaussian Noise - AWGN). Entretanto, admitindo-se que o desempenho de um sistema de comunicação é sempre degradado por imperfeições (impairments) provindas de suas diferentes partes, a margem requerida para o enlace devido a essas deve ser criteriosamente estimada. Escolhendo uma dentre as principais imperfeições, o desempenho dessa modulação em canal não linear é analisado por simulação, utilizando um amplificador à válvula de ondas progressivas (Travelling Wave Tube Amplifier - TWTA) real para o modelamento das distorções AM/AM e AM/PM. Os resultados são avaliados por meio de comparações com outras modulações comuns para aplicação em EESS, enfatizando o impacto na taxa de erro de bit e no fenômeno conhecido como Spectral Regrowth. Observa-se um aumento da margem do enlace em torno de 3 dB em relação às modulações antipodais, para canal linear, e uma degradação de 0,25 dB devido às distorções não lineares, considerando uma taxa de erro de bit de 10-5.

Determinadas campanhas de Ensaios em Vôo requerem suporte de telemetria, implementada por enlace ponto a ponto de microondas terrestre. Um sistema convencional de telemetria apresenta restrições quanto à banda de freqüência para transmissão, alcance e capacidade de aquisição de dados. Este trabalho de tese propõe um sistema de telemetria inovativo baseado em satcom que permite a operação em regiões de altas freqüências do espectro eletromagnético, que ainda apresentam maior disponibilidade, alcance virtualmente ilimitado entre aeronave e estação de solo e aumento da capacidade de aquisição de dados. Um sistema de telemetria via satélite, poderia permitir a aquisição de dados de ensaios em áreas desprovidas de recursos de comunicação e, através de telemetria simultânea, reduzir o tempo de conclusão de campanhas antecipando a entrada em serviço de novas aeronaves. Utilizando cálculos baseados em dados e características de equipamentos disponíveis no mercado, são apresentados subsídios para análise de viabilidade e confiabilidade de um sistema de telemetria baseado em comunicação via satélite.

A Rede ATN provê serviços de comunicação visando à operação e a gerência de tráfego aéreo. As recomendações SARPs também prevêem que a rede ATN forneça serviços aos usuários das aeronaves comerciais e corporativas, tais como passageiros de linhas aéreas, executivos de empresas e autoridades governamentais. Este trabalho propõe uma aplicação de segurança que torna possível a estes usuários se comunicarem de maneira segura e sigilosa. Considerando as aeronaves coorporativas ou os vôos intercontinentais das linhas comerciais, enfoca-se neste trabalho os serviços de comunicação via satélite que tem características que atendem os requisitos de alcance global e ininterrupto durante todo o vôo incluindo as regiões oceânicas. Tendo situado o ambiente no qual a aplicação de segurança será empregada, estuda-se o desempenho da aplicação de segurança, protocolo IKE, para duas arquiteturas distintas, arquiteturas estas que abrangem protocolos de transporte e de rede. Assim, o protocolo IKE com seus modos e mensagens estabelece um Acordo de Segurança através dos protocolos UDP e IP na arquitetura Internet e dos protocolos CLTP e CLNP na Arquitetura ATN.O protocolo IKE apresenta dois modos (o Principal e o Agressivo) para o estabelecimento de um canal seguro entre o servidor IKE da aeronave e o servidor correspondente em solo. Ambos os modos são aplicados nas duas arquiteturas e o overhead gerado é sumarizado em tabelas, de onde se conclui que a aplicação IKE no modo Agressivo apresenta menor overhead ao utilizar a arquitetura Internet (UDP e IP) apesar de ser mais susceptível que o modo Principal ao ataque de mascaramento.

Atualmente, o acesso à Internet em aeronaves é feito basicamente através de satélites geoestacionários. Contudo, as taxas de transmissão em enlaces de satélite geoestacionários são muito penalizadas pelo alto atraso de propagação inerente a este. Técnicas para aceleração da transmissão podem ser empregadas para minimizar este efeito. Neste trabalho é apresentado um proxy para melhoria de desempenho (PEP) operando na camada de transporte (TCP). O PEP TCP, implementado em um ou mais nós intermediários na rede, gera ACKs locais e encaminha os dados para o receptor desconsiderando o tamanho de sua janela de recepção, o que vem a camuflar o atraso de propagação. Além disso, serviços de segurança têm se mostrado cada vez mais necessários e requisitados pelos usuários. Contudo, a implementação do IPsec impossibilita a aceleração da transmissão pelo PEP implementado em um nó intermediário, que necessita ter acesso ao cabeçalho TCP para desempenhar sua função. Apresenta-se então a técnica de proteção de IP multi-camadas (ML-IPsec), que divide o pacote IP em zonas e aplica formas de proteção diferentes a estas zonas, permitindo que certos nós autorizados na rede tenham acesso limitado ao pacote protegido. Uma análise de desempenho é realizada para verificar as vantagens e desvantagens em se implementar as técnicas PEP e ML-IPsec em termos de taxa de transmissão de dados. Mostra-se que o PEP aumenta consideravelmente a vazão de dados, enquanto o ML-IPsec penaliza a vazão ao adicionar dados de cabeçalho. Conclui-se, contudo, que o ganho com o PEP é muito superior às perdas introduzidas pelo ML-IPsec, justificando ter a implementação de serviços de segurança em conjunto com a aceleração da transmissão.

Nesta tese é apresentado um método de simulação e testes práticos em plataforma de Rádio Definido por Software (RDS) para a avaliação de desempenho de transmissão de imagens multiespectrais coletadas pelo Satélite CBERS-2B. Foram avaliadas duas variantes de sistemas de comunicação de satélite: sistema sem codificação e sistema com codificação de fonte e canal. Os sistemas codificados seguem as recomendações espaciais definidas pelo CCSDS (Consultive Committee for Space Data Systems) para codificação de fonte e canal, sendo que, para a codificação de fonte, o algoritmo de compressão CCSDS-IDC foi aplicado nos modos de compressão com perdas e sem perdas e, para a proteção de canal foi aplicado o código convolucional básico de taxa 1/2 e comprimento 7 com decodificação por Viterbi. A partir de resultados teóricos, os sistemas implementados foram validados e comparados entre si através do desempenho de taxa de erros e qualidade da imagem recuperada para um nível especificado de relação sinal/ruído (SNR). Nos testes em canal real, a relação sinal/ruído foi ajustada através de estimação no receptor para alcançar a mesma relação aplicada nas simulações. Como resultados, foram observados os ganhos em desempenho para os sistemas codificados e a aproximação entre os modelos de simulação e práticos, permitindo a aplicação em testes de sistemas de sensoriamento remoto reais.

O efeito de multitrajeto é quase inevitável na maioria dos sistemas de comunicação, como por exemplo no GPS, o que ocasiona erros na determinação da pseudodistância. São analisados os erros de atraso de rastreamento de código (valores: médio, rms, máximo e mínimo absoluto) para canal especular, para receptores coerente e não-coerente, confirmando os resultados da literatura. Como contribuições são apresentados e analisados os erros de atraso de rastreamento para canal difuso (distribuição de probabilidade de amplitudes Rice), utilizando-se receptor não-coerente com desvanecimento lento e rápido. O modelo de canal especular simulado consiste de dois trajetos, um direto e outro refletido por um obstáculo fixo ou móvel. Para a simulação do canal difuso tem-se a presença de diversos trajetos refletidos obedecendo a uma distribuição de probabilidade de amplitudes Rayleigh ou Rice, esta última, quando se considera o trajeto direto. Foram analisados, modelados e simulados circuito de rastreamento coerente e não-coerente, e os canais com desvanecimento lento e rápido.