Plataformas con Estaciones (ERBs) de Grandes Altitudes

Transcripción

1 Plataformas con Estaciones (ERBs) de Grandes Altitudes Este tutorial presenta una visión general de la arquitectura para la implantación de aplicaciones móviles inalámbricas (wireless). Rogério Rios Meireles Ingeniero Electricista por la Universidad de Brasilia con énfasis en Telecomunicaciones. Maestría en Ingeniería Eléctrica - Sistemas de Comunicaciones Móviles, Universidad de Brasilia. Actuó en Embratel (Equipo de Consultoría Técnica de la Directoría de Marketing y Ventas Gobierno), en Anatel (Gerencia de Planeamiento de Superintendencia de Universalización), aun, en el Consorcio ENGEVIX/THEMAG (proyecto electromecánico e instalaciones eléctricas de usinas hidroeléctricas). Actualmente trabaja como Ingeniero de Telecomunicación en la Empresa Brasileña de Correos y Telégrafos - ECT. Duración estimada: 20 minutos Publicado el 26/09/

2 Introducción Considere una ERB de un sistema de telefonía móvil. A partir de un cálculo, con base en la altura de la antena, potencia de la señal y frecuencia de transmisión es posible encontrar cual es el área máxima de cobertura de esta ERB. Un valor típico para la altura de estas antenas está alrededor de 40m a 80m, siendo el radio del área de cobertura directamente proporcional a esta altura, o sea, cuanto más alta es la antena, mayor es la capacidad de cobertura de esta estación. Pero, qué ocurriría si colocásemos esta antena a una altura de m? iexactamente!, 30km. Esta es la intención de algunas empresas que están desarrollando una nueva plataforma de comunicación denominada HAPS. HAPS - High Altitude Platform Stations (Estaciones en Plataformas a Gran Altitud) es el nombre dado a la tecnología que provee servicios inalámbricos (wireless) de telecomunicaciones, utilizándose aviones o vehículos aéreos tales como globos aerostáticos, dirigibles, planeadores, aviones especiales, etc. El HAPS opera en altitudes entre 3 a 30km. Esta tecnología puede ser capaz de cubrir áreas de 1.000km de diámetro, dependiendo del ángulo de elevación mínima aceptáble distante de la localización del usuario. Los sistemas HAPS, todavía no fueron comercialmente implementados. Utilizan globos aerostáticos, planeadores o hasta incluso aeronaves própias, proyectadas especialmente para esta finalidad, lo que resulta en un alto costo de financiación de cada proyecto, como también alto costo de manutención. A continuación, hay un resumo de los principales sistemas HAPS. Estas plataformas de grandes altitudes, HAPS, fueron concebidas como plataformas para proveer servicios de telecomunicaciones. El interés en este concepto reside en el alto costo de los servicios de satélite, el propio costo de sus lanzamientos, y enlaces estrictamente direccionados a los receptores en la Tierra. Además, existe fuerte dependencia de todo un sistema con pocos o sólo un equipamiento. Casos de avería en satélites, pueden comprometer una aplicación de telecomunicaciones de más del 30% de toda el área del globo terrestre. Estos puntos hicieron con que algunas compañías de telecomunicaciones buscaran alternativas más baratas y posicionadas más cerca de la Tierra. Sistemas terrestres están posicionados más próximos, sin embargo son caros debido a la baja cobertura y a la necesidad de varias estaciones. Otros problemas que han despertado la busca por esta nueva tecnología son las cuestiones de los impactos ambientales y arquitetónicos debido al creciente número de torres (ERBs) en las ciudades, además de las discusiones sobre los posibles efectos biológicos asociados a la radiación del teléfono móvil/celular. A medida en que la demanda por servicios de telecomunicaciones inalámbricos crece, el número de torres también crecerá. El proyecto HAPS está intencionado a operar sobre regiones urbanas, en altitudes de 3 a 30 Km. 2

3 Tecnologías para sistemas HAPS Existen dos tipos principales de tecnologías para la implantación de plataformas en grandes altitudes: através de globos, dirigibles o através de aeronaves Proyectos Utilizando Globos Sky Station: Fue implementada con la utilización de globos energizados por energía solar, planeada por la empresa estadounidense "Sky Station International". Esta plataforma comprende una red de 250 estaciones, que podrán alcanzar tasas de transmisión de 2 a 10 Mbps (servicios de telefonía fija), 9.6 a 16 kbps (voz en servicios móviles) y 384 kbps (datos). Este proyecto tiene un costo estimado de 2,5 mil millones de dólares para implementación a nivel mundial. Una de las ideas es la utilización de propulsión de iones para los motores, lo que provocó innúmeros debates; Figura 1: Estación Sky Station StratStat: Proyecto Británico que utiliza hardware para telecomunicaciones en posición geoestacionaria en altitudes fuera de las rutas aéreas de aviación comercial, sin peligro para el tráfico aéreo. Los costos de este proyecto son bien menores si comparados con los del lanzamientos de cohetes cargando satélites. Puede ser usado para fines civiles o militares. La única fuente renovable de energía para sus motores sería la energía solar. El sistema prevé el movimiento de la aeronave de modo a mantener las células/celdas solares siempre direccionadas para la fuente de energía (el Sol). El dirigible es propulsado y conducido por medio de un rotor montado en un tailcone en la parte trasera, como mostrado en la figura siguiente. 3

4 Figura 2: Estación StratSat Sistema de plataformas estacionarias Japonesas: Este proyecto japonés también utiliza globos del tipo dirigible, impulsados por células o celdas fotovoltaicas regenerativas. Las estaciones tienen una largura cercana a los 200m. Será posicionado en altitudes estratosféricas. Figura 3: Estación del sistema japonés Sistema ARC (Airborne Relay Communications System): Esta es la denominación dada para el sistema por la compañía estadounidense Platforms Wireless International. El sistema es proyectado para operar en bajas altitudes, de 3 a 10,5 Km. Este sistema fue destinado para la defensa aérea, para uso de radares en bajas altitudes. Podrá proveer servicios inalámbricos para un área de 55 a 225 Km de diámetro por sistema y alcanzar hasta suscriptores. La figura a continuación muestra un ejemplo de como serían implementados estos sistemas. 4

5 Figura 4: Ilustración de un ARC System Proyectos Utilizando Aeronaves HALO -Proteus: Este proyecto idealizado por Angel Technology Co. de los EEUU, planea ofrecer servicios de telecomunicaciones banda ancha usando aviones piloteados. Un avión del tipo FAA-High Altitude Long Operation (HALO), servirá como repetidor de una red wireless. Operará continuamente sobre su área de actuación en 3 períodos de 8 horas cada. Los suscriptores serán capaces de acceder a video, datos, e internet a tasas de 1 a 5 Mbps. Esta tecnología ya está madura y ya fue hasta incluso demonstrada en 1998, en donde se obtuvo un link banda ancha de 52Mbps. La figura a continuación ilustra el sistema HALO-Proteus. La aplicación puede agregar la aeronave tanto para ser usada como una estación de radio base, como de una estación repetidora. 5

6 Figura 5: Aeronave del sistema HALO-Proteus SkyTower: Sistema autoguiado, sin uso de piloto y con propulsión eléctrica solar llamado de Helios, fue proyectado por la NASA y será capaz de volar por hasta 6 meses ininterrumpidamente en la capa estratosférica, arriba de la zona del tráfico aéreo comercial. La plataforma Helios funcionará como una gran torre de 11 millas de altura, de ahí el nombre de SkyTower. De esta forma una torre en la tierra funcionará como gateway direccionando el flujo del tráfico de comunicación entre la aeronave en el aire y la red pública de telefonía, internet y aparatos móviles de usuarios. Usuarios podrán obtener transmisión de hasta 1,5 Mbps o mayor. Figura 6: Aeronave del sistema SkyTower (Nasa) AVCS: General Atomic de los EEUU, está proyectando un vehículo aéreo no piloteado para fines semejantes, sin embargo pocos datos fueron provistos al público hasta ahora Heliplat: (Helios Platform) está siendo desarrollado por la agencia espacial Italiana. Será un vehículo no piloteado, impulsado por células/celdas solares que será operado en la estratosfera. El proyecto se destina no solamente para uso móvil celular/personal, sino también para uso de localización y vigilancia. El uso conjunto de estaciones base GSM o UMTS, puede proveer telefonía celular para áreas rurales de poca densidad poblacional. Podrá ser usado para aumentar la capacidad de las centrales públicas en caso de desastres naturales, pues fácilmente se podrá mover la plataforma aérea si es necesario. Podrá proveer comunicación confiable para barcos transoceánicos, utilizándose de tales plataformas aéreas. 6

7 Frecuencias/Análisis Técnica Están siendo desarrolladas resoluciones sobre las frecuencias HAPS, y la designación inicial es de un par de frecuencias de 300 MHz (anchura de banda), en torno de la portadora de 47 GHz. Estudios también están siendo hechos en los países en donde la tecnología ya está avanzada, para alcanzar la mejor utillización del espectro y definir mejores criterios técnicos. 4. Análisis Técnico Existen diversos problemas técnicos involucrados en el desarrollo de plataformas de grandes altitudes. Entre ellos se pueden citar: Todos los materiales deben ser livianos y resistentes; Los motores tienen que ser potentes lo suficiente para soportar vientos de hasta 55 m/s; Energía suficiente tiene que ser producida para el almacenamiento y propulsión y para los equipamientos de telecomunicación. La ecuación a continuación permite el cálculo del diámetro del área de cobertura para una dada estación: Donde R es el radio de la Tierra (6.378km), g el ángulo de elevación mínima y h la altura de la aeronave. Figura 7: Diámetro del área atendida. La ecuación arriba no es nada innovadora, siendo encontrada en algunos libros referente a comunicaciones inalámbicas, sin embargo las aplicaciones para esta formulación siempre involucraron torres alrededor de 30m de altura. En el caso del HAPS, estas torres están alrededor de 30km de altura (casi veces más que sistemas celulares convencionales), y hace con que el área de cobertura de este sistema sea bien mayor. Comparativamente, sin dúda los sistemas HAPS alcanzan grandes extensiones territoriales. Para una altura de 21km y el ángulo de elevación mínima de 6º, el radio del área de cobertura alcanza casi 200km: 7

8 Sistema Celular Radio de la Célula/Celda (Km) Cantidad Relativa de ERBs HAPS* MHz , MHz , MHz ,9 Tabla I: Comparativo. Fuente: Qualcomm ITU 8/F Submission, June 11, 2001, COVERAGE COMPARISON OF IMT-2000 SYSTEMS AT VARIOUS FREQUENCY RANGES. * Considerando ángulo de elevación mínima de 6º y altura de la torre, 21km. Para cubrir todo el Reino Unido, se estima que sean necesarias sólo 6 estaciones base (ERBs). Con el aumento de la capacidad de estos sistemas, es posible suplir casi el 80% de todas las aplicaciones de telecomunicación (voz, datos e imagenes) de un país, englobando también los servicios de radiodifusión. Figura 8: Ejemplo de red para cobertura del Reino Unido. 8

9 Aplicaciones La figura abajo muestra un escenario de aplicaciones que pueden ser soportadas por el HAPS. Vinculada a un "backhaul" de satélites y estaciones terrestres, tenemos un sistema completo de telecomunicaciones. Figura 9: Escenário de Aplicaciones. Las aplicaciones engloban: Servicios Banda Ancha: es la principal aplicación, en donde se espera alcanzar tasas de datos a 60Mbps con potencia del downlink de la estación HAP alrededor de 1W por célula/celda, banda de 25MHz y utilizando el 16-QAM o esquemas de modulación de mayor orden; Aplicaciones 3G/2G: Una única estación puede suplir áreas enormes, siendo viable financieramente, principalmente en locales de baja densidad poblacional; Redes HAPS: Como mostrado en la figura 8, con apenas 6 estaciones, es posible proveer a todo el Reino Unido con una red HAPS; Aplicaciones en ámbito mundial: Las aplicaciones mundiales pueden ser las más variadas, desde la telefonía rural, hasta servicios de broadcasting y de datos; Aplicaciones en situaciones de Emergencia y de Desastres: La plataforma HAPS puede fácilmente suplir las comunicaciones en regiones afectadas por inundaciones, u otros desastres; Comunicaciones Militares: Una plataforma de esta magnitud es de gran interés para los militares, donde se puede sustituir várias de las aplicaciones hoy via satélite, además de la ampliación de diversas otras posibilidades. 9

10 Ventajas Las ventajas que pueden ser citadas son: Cobertura de grandes áreas; Flexibilidad en la respuesta a las demandas de tráfico; Bajo costo si comparada con la implantación y la manutención de redes de satélites; Implantación gradativa: en donde a partir de una única estación, se puede iniciar una cobertura y gradativamente ir sustituyendo el sistema anterior; Rápido desarrollo: La adición de sólo una estación ya causa un fuerte impacto en la migración del sistema; Fácil actualización y manutención del sistema, habiendo la posibilidad de aterrisarse una estación y realizarse up-grades de sistemas y manutenciones. 10

11 Consideraciones Finales Este trabajo presenta básicamente una visión general de una plataforma de comunicación innovadora que está siendo desarrollada. Básicamente, toda la teoría técnica no trae novedades, sin embargo algunos retos están presentes de modo a que sean posible viabilizar estos proyectos, llevándose en cuenta las ventajas y desventajas frente a los sistemas ya existentes, como las comunicaciones via satélite y sistemas celulares. Las Plataforma con Estaciones de Grandes Altitudes apuntan, tal vez, para una nueva generación de sistemas de comunicación, proponiendo quiebras de paradigmas y abriendo innúmeras posibilidades de creación de nuevas aplicaciones en servicios de voz, datos y radiodifusión. Várias son las ventajas pero, aún faltan definiciones cuanto a los rangos de frecuencia, a los esquemas óptimos de modulación y codificación, a la mejoría de los tests y a las condiciones de las aeronaves. Como reto, los sistemas HAPS enfrentan la definición de los niveles de señal, la propagación y diversidad de las señales, la destinación de recursos, la definición y estandarización de protocolos, las tecnologías de antenas para banda ancha que soporten grandes cantidades de haces, canales simultaneos, la estabilidad de las estaciones aéreas, los sistemas de handoff, entre otros. Referencias [1] MEIRELES, Rogério Rios, Plataforma de Comunicaciones Utilizando Aeronaves Comerciales como Estaciones de Radio Base. In: SIMPOSIO BRASILEÑO DE MICROONDAS Y OPTOELECTRÓNICA, 2004, São Paulo. Anales del MOMAG v. 1, p [2] OFCOM - Federal Office of Communications, "HAPS - High Altitude Platform Stations", accedido el 09/03/2004. [3] GSM, cdmaone and 3G Systems, - Raymond Steele, Chin-Chun Lee and Peter Gould - Wiley ; University of York, Dept of Electronics, "HIGH ALTITUDE PLATFORMS (HAPs) - The Future for Communications?", accedido el 10/03/2004. [4] Lee, William C., Mobile Communications Engineering - McGraw Hill - 2nd Edition, [5] T. C. Tozer and D. Grace, High-altitude platforms for wireless communications, Electronics & Communication Engineering Journal, UK, June [6] Thornton, D. Grace, C. Spillard, T. Konefal and T. C. Tozer, Broadband communications from a highaltitude platform: the European HeliNet programme, Electronics & Communication Engineering Journal, UK, June

12 Evalúe su Entendimiento 1. A qué altura irán a operar las plataformas de grandes altitudes? 300 a metros. 3 a 30 km. 300 a km. Órbita geoestacionaria. Ninguna de las respuestas. 2. Dónde serán colocadas estas plataformas? Globos. Dirigibles. Planeadores. Aviones. Todos los anteriores. 3. Cuál es la principal ventaja de las plataformas de gran altitud en relación al celular convencional? No necesita licencia de la Anatel. Cobertura de grandes áreas con pocas plataformas. Terminales menores. Menor radio de la célula (celda). 4. Cuál de las alternativas es la verdadera? Las plataformas HAPS están en fase de implantación principalmente en los países de África, con el objetivo de aumentar la prestación de servicios de telecomunicaciones en estas regiones, por medio de un sistema que involucra bajo costo y gran área de cobertura. Entre las ventajas de los sistemas HAPS y frente a los sistemas via satélite están: el menor costo de implantación de las redes HAPS, la facilidad de manutención de las estaciones y la mayor área de cobertura de las estaciones HAPS. Los sistemas HAPS ofrecen gran capacidad de cobertura, sin embargo, debido a las distancias entre las estaciones, las aplicaciones en tiempo real son inviables. Hasta hoy, los sistemas HAPS sólo fueron utilizados para fines militares. Las Plataformas con Estaciones de Grandes Altitudes están desarrolladas en dos tecnologías básicas: proyectos utilizando globos dirigibles y proyectos utilizando aeronaves. Se espera que las estaciones se ubiquen en altitudes estratosféricas, no interfiriendo en rutas de aeronaves comerciales. 12