Comunicaciones Satelitales

Lección Comunicaciones Satelitales 1

INTRODUCCIÓN La comunicaciones satelitales tienen una amplia cobertura geográfica y coste de transmisión independiente de la distancia entre el emisor y el receptor, por lo cual es un medio muy interesante para realizar comunicaciones entre continentes o entre países alejados, aunque esta gran cobertura trae consigo el problema de su poca seguridad, a menos que la información se codifique. Capacidad de establecer enlaces multipunto, son esencialmente medios de difusión que posee ciertas ventajas como: Ancho de banda considerable, gran capacidad de transmisión, capacidad por repetidor de unos 3.000 canales, pudiendo utilizar diferentes bandas de frecuencia, no le afectan las barreras naturales, servicio de zonas rurales o pocos pobladas, de difícil y costoso acceso por otros medios de comunicación, facilidad de establecer nuevos mercados y facilidad de establecer nuevos servicios. 1.1. SISTEMAS DE COMUNICACIONES Todo sistema electrónico de comunicaciones tiene estos componentes básicos: un transmisor, un medio o canal de comunicación y un receptor. El proceso de comunicación empieza cuando alguien genera algún tipo de mensaje, datos u otra señal de inteligencia que debe ser recibida por los demás. A ese alguien se le llama transmisor, y a los demás que reciben el mensaje o señal se les llama receptor, el mensaje o señal es enviado mediante un canal de comunicación. En los sistemas electrónicos de comunicaciones, al mensaje se le denomina información, o una señal de inteligencia. El mensaje, en la forma de una señal electrónica, es alimentado al transmisor, el cual se encarga de transmitirlo por medio de un canal de comunicaciones. El mensaje es captado por el receptor y transferido a otro humano. En este proceso se capta ruido en el canal de comunicación y en el receptor. 2

1.2. RED DE COMPUTADORES Sistema de elementos interrelacionados que se conectan mediante un vínculo dedicado o conmutado para proporcionar una comunicación local o remota (de voz, vídeo, datos, etc.) y facilitar el intercambio de información entre usuarios con intereses comunes. 1 Topología Estrella La topología en estrella tiene un nodo central desde el que se irradian todos los enlaces hacia los demás nodos. Por el nodo central, generalmente ocupado por un hub, pasa toda la información que circula por la red. Figura No 2.1 La ventaja principal es que permite que todos los nodos se comuniquen entre sí de manera conveniente. La desventaja principal es que si el nodo central falla, toda la red se desconecta. 1 Fuente: Referencia bibliográfica [3], capítulo 2, sección 2.1. 3

Figura No 2.2 TOPOLOGÍA MALLA Es la topología que presenta un nivel de seguridad mayor que las demás. Los nodos de la red se unen entre sí formando una estructura en la que al menos existen dos rutas posibles por cada nodo; así, si hay un fallo en una de ellas la información se puede hacer circular por la otra. Su implementación es más cara que la topología estrella. Desde el punto de vista de la red una gran constelación de nodos de conmutación entrelazados ofrece ventajas en términos de calidad de servicio, seguridad y capacidad. La malla fuertemente interconectada proporciona un robusto diseño que tolera fallos. Una red satelital en malla, consiste de estaciones de igual rango, con antenas de un tamaño mayor, para poder comunicarse entre sí sin necesidad de una estación intermedia, aunque si existen las estaciones de control y supervisión. 1.3. ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS (OEM) La propagación de energía eléctrica a lo largo de la línea de transmisión ocurre en forma de ondas electromagnéticas transversales. Una onda es un movimiento oscilatorio. Para una onda transversal, la dirección de desplazamiento es perpendicular a la dirección de propagación. 4

Gráfico 13, Onda Electromagnética Fuente: Antonio García Pino, A. Marcos Arias Acuña; 2003; SISTEMAS DE COMUNICACIONES VÍA SATÉLITE; capítulo 2, página 30. 1.4. VELOCIDAD DE ONDA (V) Las ondas viajan a distintas velocidades, dependiendo del tipo de onda y de las características del medio de propagación. Las ondas de sonido viajan aproximadamente a 1100 pies/s en la atmósfera normal. Las ondas electromagnéticas viajan mucho más rápido. En el espacio libre, las ondas electromagnéticas viajan a la velocidad de la luz, c = 186,283 mi/s o 299 793 000 m/s, redondeando a 186 000 mi/s y 3 x 10 8 m/s. Sin embargo, en el aire (atmósfera de la tierra), las ondas electromagnéticas viajan ligeramente más despacio, y las ondas electromagnéticas viajan considerablemente más lentas a lo largo de una línea de transmisión. 1.5. FRECUENCIA (F) Y LONGITUD DE ONDA (λ) Las oscilaciones de una onda electromagnética son periódicas y repetitivas. Por lo tanto, se caracterizan por una frecuencia. La proporción en la que la onda periódica se repite es su frecuencia (f). La distancia de un ciclo ocurriendo en el espacio se llama longitud de onda (λ) y se determina por la siguiente ecuación: 5

v λ = f Para la propagación en el espacio libre, v = c; por lo tanto, la longitud de un ciclo es: λ = c f 8 3 10 m s = f ciclos s = metros ciclo 1.6. SISTEMA DE COMUNICACIONES SATELITALES Un satélite artificial es cualquiera de los objetos puestos en órbita alrededor de la Tierra con gran variedad de fines, científicos, tecnológicos y militares. En la actualidad hay satélites de comunicaciones, navegación, militares, meteorológicos, de estudio de recursos terrestres y científicos. Estos últimos se utilizan para estudiar la alta atmósfera, el firmamento, o para probar alguna ley física. Un satélite artificial puede ampliar las señales antes de devolverla, que los hace ver como una gran repetidora de señales en el cielo. El satélite contiene varios transpondedores, cada uno de los cuales capta alguna porción del espectro, amplifica la señal de entrada y después la redifunde a otra frecuencia para evitar la interferencia con la señal de entrada. Los haces retransmitidos pueden ser amplios y cubrir una fracción substancial de la superficie de la tierra, o estrechos y cubrir un área de solo cientos de Kms. de diámetro. Figura No 2.3 6

1.7. RED SATELITAL Como su nombre lo indica son redes que utilizan como medios de transmisión satélites artificiales localizados en órbita alrededor de la tierra. En este tipo de redes, los enrutadores tienen una antena por medio de la cual pueden enviar y recibir. Todos los enrutadores pueden oír las salidas enviadas desde el satélite y en algunos casos pueden también oír la transmisión ascendente de los otros enrutadores hacia el satélite. La tecnología de redes satelitales, representada por satélites poderosos y complejos y el perfeccionamiento de las estaciones terrenas están revolucionando el mundo. Así por ejemplo, la necesidad de interconectar terminales remotos con bases de datos centralizadas, de una manera veloz y eficiente, han conducido a una nueva tecnología conocida como 'Very Small Apertura Terminal (VSAT)". Figura No 2.4 1.8. VSAT Se llama terminal de abertura muy pequeña, o VSAT (Vey Small Apertura Terminal) a un aparato (estación terrestre) que se utiliza para recibir transmisiones desde un satélite. La expresión muy pequeña como parte de la sigla VSAT, se refiere al tamaño de la antena del plato de estas estaciones, por lo general entre 90 y 180 cm de diámetro, la cual se instala en un muro de techo o azotea, o se fija en el suelo. Esta antena, junto con un bloqueador de ruido bajo integrado (LNB; receptor de la señal del satélite) y el trasmisor (que envía las señales), constituye la unidad para exteriores de la VSAT; es uno de los dos componentes de una estación terrestre de terminales de abertura muy pequeña. El segundo componente de la estación terrestre VSAT es la unidad interior (para interiores). Consiste en un gabinete pequeño para escritorio o una PC, que 7

contiene los tableros receptor y transmisor y una interfaz para comunicarse son el equipo doméstico existente del usuario, que puede ser una red de área local (LAN), servidores, varias PC, televisores, etc. La unidad interior se conecta a la exterior por medio de un par de cables. La ventaja de una estación terrestre de VSAT sobre una conexión de red terrestre típica, es que las VSAT no están limitadas por el alcance del cableado subterráneo. Una estación terrestre de VSAT puede instalarse en cualquier parte, con tal que tenga una vista sin estorbos hacia el satélite. Las VSAT son capaces de enviar y recibir todo tipo de señales de video, datos y audio, a la misma alta velocidad, independientemente de su distancia respecto del centro de conmutación terrestre y su infraestructura. Figura No 2.5 1.9. CARACTERISTICAS DE UN ENLACE VIA SATELITE Potencia transmisora a bordo muy limitada. Gran distancia: ocasiona pérdidas elevadas y retardo, existe un apreciable retraso en la propagación de la señal que puede llegar a 0.5 segundos, incompatibles con ciertas aplicaciones. Atenuación atmosférica ocasionada por la lluvia, gases y otros agentes atmosféricos. 8

Señal recibida en tierra muy débil. Necesidad de receptores a bajo ruido. Enlace descendente crítico: genera una menor frecuencia en la transmisión. Necesidad de modulación y codificación eficaces que permitan mejorar la calidad de la señal. Necesidad de acceso múltiple debido al alto costo de instalación y mantenimiento de un sistema de radioenlace satelital, se debe aprovechar al máximo los enlaces multipunto. Estación terrena sencilla para el gran público, implicaría gran cantidad de usuarios y beneficios económicos para la empresa que administra el sistema satelital. 1.10. CONFIGURACIÓN BÁSICA DE UN SISTEMA DE COMUNICACIONES VÍA SATÉLITE Un sistema de comunicaciones vía satélite consiste de un satélite, con varios transponder, una estación basada en tierra (TT&C), para controlar su funcionamiento y una red de usuario de estaciones terrestres, que proporciona las facilidades para transmisión y recepción de tráfico de comunicaciones, a través del sistema de satélite (ver gráfico 01). Gráfico 01, Sistema de comunicación vía satélite 9

Fuente: Antonio García Pino, A. Marcos Arias Acuña; 2003; SISTEMAS DE COMUNICACIONES VÍA SATÉLITE; capítulo 1, página 12. Las transmisiones de satélite se catalogan como bus o carga útil. La transmisión de bus incluye mecanismos de control que apoyan la operación de carga útil. La transmisión de carga útil es la información del usuario que será transportada a través del sistema. Aunque en los últimos años los nuevos servicios de datos y radioemisión de televisión son más y más demandados, la transmisión de las señales de teléfono de voz convencional (en forma analógica o digital), aún son el volumen de la carga útil por satélite. Segmento espacial o Satélite Módulo de comunicaciones Estructura Energía Control Térmico Control Orbital Estabilización Telemedida y Telecontrol o Estación de TT&C Segmento de tierra o Estaciones Terrenas (diferentes según servicio) 1.11. SATÉLITE DE COMUNICACIONES Un satélite de comunicaciones se puede considerar como un enorme repetidor de microondas en el cielo. Contiene numerosos transponders (de 6 a 40) que pueden ser asignados a diferentes usos, permitiendo de esta manera el tratamiento simultáneo de varias señales, cada transponder (repetidor) se encarga de una parte del espectro, amplifica la señal entrante y a continuación la retransmite en otra frecuencia para evitar interferencia con la señal entrante. 10

Gráfico 02, Satélite de Comunicaciones Fuente: Edith García Cárdenas, Roberto Conte Galván; 2005; MECÁNICA ORBITAL; capítulo 2, página 12 Un satélite de comunicaciones comprende un conjunto de tecnologías que se agrupan para un fin: proporcionar una plataforma de retransmisión, normalmente en la órbita geoestacionaria. Cada tecnología, constituye un subsistema y la conjunción de subsistemas formará el satélite. A continuación se presenta los subsistemas de un satélite típico de comunicaciones, con su función y principales características. 11

1.12. MÓDULO DE COMUNICACIONES Gráfico 03, Módulo de Comunicaciones Fuente: Antonio García Pino, A. Marcos Arias Acuña; 2003; SISTEMAS DE COMUNICACIONES VÍA SATÉLITE; capítulo 1, página 13. ESTACIÓN TERRENA La señal (propia o procedente de la red) es procesada en banda base y modulada. Puede combinarse con otras. El alimentador de antena proporciona polarización adecuada y aislamiento con la señal recibida. Se requiere un amplificador de bajo ruido en recepción. Las señales de TT&C son extraídas y utilizadas. Este es un esquema tipo (ver gráfico 04), pero según el caso puede variar. 12

Gráfico 04, Esquema de una Estación Terrena Fuente: Antonio García Pino, A. Marcos Arias Acuña; 2003; SISTEMAS DE COMUNICACIONES VÍA SATÉLITE; capítulo 1, página 15. 1.13. TIPOS DE SATÉLITE Hay, dos tipos principales para los satélites de comunicaciones: hiladores (spinners) y satélites estabilizadores de tres ejes. Los satélites spinner, utilizan el movimiento angular de su cuerpo giratorio para proporcionar una estabilidad de giro. Con un estabilizador de tres ejes, el cuerpo permanece fijo en relación a la superficie de la Tierra, mientras que el subsistema interno proporciona una estabilización de giro. 13

El gráfico 05 muestra los dos tipos principales de satélites. Plataforma de antena hiladora Cuerpo orientado a la tierra Cuerpo giratorio (a) (b) Gráfico 05, Tipos de satélites: (a) hilador; (b) tres ejes estabilizados Fuente: Wayne Tomasi, 1996, SISTEMAS DE COMUNICACIONES ELECTRÓNICAS, Segunda Edición, Pearson Educación, México, capítulo 18, página 729. 1.14. PERIODO ORBITAL DE UN SATÉLITE De acuerdo con la ley de Kepler, el periodo orbital de un satélite varía según el radio de la órbita a la 3/2 potencia. Entre más alto esté el satélite, más largo es el periodo. Cerca de la superficie de la Tierra, el periodo es de aproximadamente 90 minutos. En consecuencia, los satélites con órbitas bajas desaparecen de la vista con bastante rapidez, aunque algunos de ellos son necesarios para proporcionar una cobertura continua. A una altitud de cerca de 35,800 km., el periodo es de 24 horas. A una de 384,000 km., el periodo es cercano a un mes, como puede atestiguar cualquiera que haya observado la Luna con regularidad. 14

Gráfico 06, características de los satélites Fuente: Andrés Tanenbaum S, 2003, REDES DE COMPUTADORAS, Cuarta Edición, Pearson Educación, México, capítulo 2, página 110. El gráfico 06 describe algunas propiedades de los satélites, por ejemplo: la altitud sobre la tierra en Km (Altitude), el tiempo de duración de un viaje de ida y vuelta de transmisión en ms (Latency), y la cantidad de satélites necesarios para abarcar toda la tierra (stats needed). 1.15. BANDAS DE FRECUENCIA El uso de bandas de frecuencias es un problema debido a que las transmisiones de los enlaces descendentes interfieren con los usuarios de microondas existentes. En consecuencia, la ITU ha asignado bandas de frecuencia específicas a los usuarios de satélites. Las principales se muestran en la Tabla 1. La banda C fue la primera que se destinó al tráfico comercial por satélite. Tiene dos rangos de frecuencia, el inferior para el tráfico descendente o de bajada (proveniente del satélite) y el superior para el tráfico ascendente o de subida (hacia el satélite). Para permitir que el tráfico fluya en ambos sentidos al mismo tiempo, se requieren dos canales, uno para cada sentido. Estas bandas están sobresaturadas debido a que las empresas portadoras también las utilizan para los enlaces de microondas terrestres. 15

Las bandas L Y S fueron incorporadas en el año 2000 mediante un acuerdo internacional. No obstante, son estrechas y saturadas. La siguiente banda más ancha disponible para los operadores de telecomunicaciones es la banda Ku (K abajo). Esta banda aún no está saturada, y a estas frecuencias es posible espaciar los satélites a cerca de un grado. No obstante, hay otro problema: la lluvia. El agua es un gran absorbente de estas microondas cortas. La buena noticia es que por lo general las tormentas se confinan a sitios específicos, por lo que el problema se soluciona con la instalación de varias estaciones terrestres con suficiente separación en vez de una sola, al costo de más antenas, cables y aparatos electrónicos que permitan pasar rápidamente de una estación a otra. También se ha asignado ancho de banda para tráfico comercial por satélite en la banda Ka (K arriba), pero el equipo necesario para utilizar esta banda aún es caro. Además de estas bandas comerciales, también hay muchas bandas gubernamentales y militares. Banda Enlace Enlace Ancho de descendente ascendente banda L 1.5 GHz 1.6 GHz 15 MHz S 1.9 GHz 2.2 GHz 70 MHz C 4.0 GHz 6.0 GHz 500 MHz Problemas Bajo ancho de banda; saturada Bajo ancho de banda; saturada Interferencia terrestre Ku 11 GHz 14 GHz 500 MHz Lluvia Ka 20 GHz 30 GHz 3500 MHz Lluvia, costo del equipo Tabla 01, Principales bandas de satélite Fuente: Andrés Tanenbaum S, 2003, REDES DE COMPUTADORAS, Cuarta Edición, Pearson Educación, México, capítulo 2, página 111. 1.16. CLASIFICACIÓN DE SATÉLITES De la órbita a la que se sitúe el satélite dependerá, en cierta manera, el tipo de servicio prestado y el tamaño necesario de la antena. La clasificación de los satélites en función de la órbita en que se ubican es la siguiente: 16

1.16.1. GEO Los satélites GEO2 orbitan a 35 786.056 kilómetros sobre el ecuador terrestre. A esta altitud, el periodo de rotación del satélite es exactamente 24 horas y, por lo tanto, parece estar siempre sobre el mismo lugar de la superficie del planeta. Esta órbita se conoce como órbita de Clarke3. El principal problema que se presenta es que las comunicaciones a través de un GEO presentan una latencia mínima de transmisión de ida y retorno de 0.24 segundos, excluyendo los retardos provocados por las diversas pasarelas y conversiones que deben sufrir los datos que harían llegar a casi medio segundo. Esta latencia es fuente de molestias en muchas de las llamadas internacionales impidiendo que se pueda entender la conversación y deformando el matiz personal de la voz. Esto, que puede ser una incomodidad en una conversación telefónica, puede ser insostenible para aplicaciones en tiempo real en donde se requiere una respuesta inmediata, viéndose afectados muchos protocolos de datos, entre ellos el IP de Internet. 2 Abreviatura de Órbita Terrestre Geosíncrona 3 En honor al escritor Arthur C. Clarke, que escribió por primera vez en 1945 acerca de la posibilidad de cubrir toda la superficie terrestre con sólo tres satélites. 17

Gráfico 07, Satélite GEO Fuente: Edith García Cárdenas, Roberto Conte Galván; 2005; MECÁNICA ORBITAL; capítulo 2, página 19. Así mismo, los GEO necesitan obtener unas posiciones orbitales especificas alrededor del ecuador para mantenerse lo suficientemente alejados unos de otros (unos 800 o 1.600 kilómetros, o uno o dos grados, para las bandas K y C respectivamente) dada la resolución de las antenas receptoras, siendo la ITU y la FCC (en los Estados Unidos) los organismos encargados de administrar estas posiciones. Los satélites GEO requieren de alta potencia de transmisión y receptores más sensibles debido a las distancias más grandes y mayores pérdidas de trayectoria. Se requieren maniobras espaciales de alta precisión para colocar un satélite GEO en órbita y mantenerlo. Además, se requieren los motores de propulsión, a bordo de los satélites, para mantenerlos en sus órbitas respectivas. 1.16.2. MEO Los satélites de órbita terrestre media se encuentran a una altura comprendida entre los 10.000 y 20.000 kilómetros. A diferencia de los GEO, su posición relativa respecto a la superficie 18

terrestre no es fija. Al estar a una altitud menor, se necesita un número mayor de satélites para obtener cobertura mundial, pero la latencia se reduce substancialmente. En la actualidad no existen muchos satélites MEO, y se utilizan para fundamentalmente para posicionamiento. Los 24 satélites GPS4 que orbitan a cerca de 18,000 Km. son ejemplos de satélites MEO. Presenta una ventaja con respecto a un sistema LEO, con un sistema LEO una zona cambia de satélite cada 20 minutos y con uno MEO se tardan unas dos horas, con lo que la probabilidad de que una llamada se complete en ese periodo es mayor y, por tanto, se ofrece mayor seguridad ya que no se necesita hacer traspaso a una unidad a otra. Gráfico 08, Satélite MEO Fuente: Edith García Cárdenas, Roberto Conte Galván; 2005; MECÁNICA ORBITAL; capítulo 2, página 22. 1.16.3. LEO Los LEO orbitan generalmente por debajo de los 5000 kilómetros, y la mayoría de ellos se encuentran mucho más abajo, entre los 500 y los 1600 kilómetros. Existen tres tipos de LEO, que manejan diferentes cantidades de ancho de banda. Los LEO pequeños están destinados a aplicaciones de bajo ancho de banda (de decenas a centenares de kbit/s), como los buscapersonas5, e incluyen a sistemas como OrbComm. Los grandes LEO pueden manejar buscapersonas, servicios de telefonía móvil y algo de 4 Sistema de Posicionamiento Global 5 Estos equipos buscan a personas fuera de alcance auditivo de su teléfono, a través de una emisora de radio. El abonado buscado tiene que llevar con sigo un receptor de radio. 19

transmisión de datos (de cientos a miles de kbit/s) entre ellos se encuentran Iridium y GlobalStar. Los LEO de banda ancha operan en la franja de los Mbit/s y entre ellos se encuentran SkyBridge y Teledesic. Gráfico 09, Satélite LEO Fuente: Edith García Cárdenas, Roberto Conte Galván; 2005; MECÁNICA ORBITAL; capítulo 2, página 23. Los satélites LEO también presentan problemas, como es el de la posible saturación de las órbitas y en algunos sectores se ha mostrado cierta preocupación por la gran cantidad de satélites que podrían juntarse en una porción relativamente pequeña del espacio, ya que son numerosos los satélites LEO y MEO proyectados para lanzarse, pero esto no parece un problema real ya que la zona de órbitas de baja altura, parte de la atmósfera terrestre hasta la zona de alta radiación conocida como el "cinturón de Van Allen", son 900 kilómetros que pueden albergar una cantidad inmensa de órbitas donde podrían colocarse más de 60,000 satélites. Gráfico 10, Satélites GEO, MEO, LEO Fuente: Edith García Cárdenas, Roberto Conte Galván; 2005; MECÁNICA ORBITAL; capítulo 2, página 18. 20

Cuadro comparativo de los tipos de orbitas ORBITA VENTAJAS DESVENTAJAS GEO -Tecnología desarrollada -Estabilidad de la señal -Doppler mínimo -Interferencia predecibles -Cobertura de zonas pobladas -Puesta en órbita breve -No cubre zonas polares -Pérdidas de enlace -Retardo considerable -Alto coste de lanzamiento -Bajo ángulo de elevación -Eclipses -Basura espacial -Poco aprovechamiento del espectro -Poca fiabilidad para móviles -Costoso uso satélite de reserva MEO -Cobertura Global -Gran constelación de satélites -Menores pérdidas -Señal variable -Terminales más -Efecto doppler pequeños -Visibilidad breve -Retardo medio <100ms -Compleja arquitectura de red -Uso eficaz del espectro -Tecnología poco establecida -No requiere redundancia -Muchos eclipses de satélite -Basura espacial LEO -Cobertura Global -Menores pérdidas -Terminales más pequeños -Retardo mínimo <10ms -Uso eficaz de espectro -No requiere redundancia de satélite -Permite determinación de posición como valor añadido -Gran cobertura de satélites -Señal variable -Efecto doppler -Visibilidad breve -Compleja arquitectura -Tecnología poco establecida -Muchos eclipses -Basura espacial -Reemplazo de satélites -Instalación lenta Tabla 02, Cuadro comparativo de los tipos de órbita Fuente: Andrés Tanenbaum S, 2003, REDES DE COMPUTADORAS, Cuarta Edición, Pearson Educación, México, 912 pág 21

1.17. LA VIDA ÚTIL DE UN SATÉLITE La vida útil de un satélite depende de la órbita a la que se encuentre situado: cuanta más alta sea la órbita mayor será la vida útil del satélite. Se calcula un promedio de entre 10 y 15 años de vida útil para los GEO y de unos 5 para los LEO y está en función del combustible que se necesita para corregir su posición y mantenerlo en la órbita correcta, tanto más cuanto menor es la altura. Así, con los LEO debe tenerse en cuenta una política de sustitución de satélites con cierta periodicidad y a diferencia de los GEO, que cuando acaban su vida útil se desplazan a una órbita de estacionamiento unos pocos kilómetros más alejada de lo normal, los LEO entran en la atmósfera y se desintegran. 1.18. SATÉLITES PARA REDES DE COMUNICACIONES Históricamente se utilizaron los satélites de comunicaciones para la transmisión de señales de voz e imagen, por consiguiente la capacidad de los primeros satélites se medía en términos de canales telefónicos o de TV; existía una capacidad limitada con costos altos por esos servicios, una baja eficiencia, poca disponibilidad de potencia y corta vida útil de los satélites iniciales. En la actualidad el crecimiento de las comunicaciones digitales ha cambiado la demanda y percepción hacia el uso de satélites multimedia de banda ancha, la capacidad del satélite se mide ahora en velocidad de transmisión de bits (bit rate) total por transponder, o total por satélite. Existe un incremento en la complejidad operativa del sistema satelital, ahora la operatividad del sistema se basa en el control del satélite vs. Control de red vs. Control del servicio. 22

Gráfico 11, Comunicación Satelital Roberto Conte Galván; 2001; TECNOLOGÍA DE SATELITES PARA DISTINTAS APLICACIONES; capítulo 2, página 48. Para aplicaciones en redes de comunicaciones se utilizan satélites desde mediana potencia a mayor potencia, mayor potencia del satélite permite mejor calidad de enlace de señal satelital. Existe oferta de transpondedor total o parcial, desde 1 hasta 72 MHz de capacidad en bandas C y Ku. 1.19. Parámetros Básicos Utilizados En Las Comunicaciones Satelitales Longitud de onda de operación Se obtiene de la relación existente entre la velocidad de la luz y la frecuencia de operación del enlace. c λ = (1) f Donde: c : Velocidad de la luz = 3x10 8 m/s f : Frecuencia de operación 23

Potencia isotrópica radiada equivalente (PIRE) Potencia que sería necesario dar el sistema con el fin de irradiar en una dirección dada. En el sector terreno se habla de PIRE de la estación terrena y en el sector espacial del satélite. Las coberturas de los satélites muestran una serie de líneas de contorno que indican la caída de señal en función de la distancia al centro de la cobertura, las cifras indican niveles de potencia medidos en dbw. Los valores de PIRE indicados en cualquier cobertura citan cifras de potencia al inicio de la operatividad del satélite y son valores máximos (saturación del transponder). 1.19.1. Parámetros De La Antena De Recepción Ganancia de la antena (G) Para el cálculo de la Ganancia de Antena, en las estaciones receptoras se utiliza muy a menudo el concepto de Àrea equivalente Ae de la antena parabólica que no es sino el área del círculo del diámetro D multiplicado por un factor llamado Factor de Rendimiento de la antena. G 10π ( D f 3 2 = η. ) (2) Donde: G : Ganancia de antena de la estación terrena. η : Rendimiento de la antena receptora (dato del fabricante). Generalmente 0.5 η 0. 8 D: Diámetro de la antena receptora. Relación F/D F D Distancia focal del plato = Diámetro de la antena (3) 24

Ancho de Haz c Ancho de Haz = 70( ) (4) f. D 1.19.2. Determinación de los ángulos de elevación y azimuth. Distancia entre la estación terrena y el satélite Ángulo de elevación (θ ) rt K d 1 ( rt + h) θ = tg { } (5) 2 1/ 2 (1 K ) d Donde: K d : Factor de posicionamiento geográfico. K d = Cos( LongET LongSat). Cos( LatET ) LongSat: Longitud de la posición orbital del satélite LongET: Longitud de la estación terrena LatET: Latitud de la estación terrena R t :Radio de la tierra (6 378.16 Km) h : Altura del satélite (35 786 Km) Ángulo de azimuth (φ ) 1 tg( δ ) φ = tg [ (6) Sen( LatET ) Donde: δ : Diferencia en grados entre la longitud de la recepción terrena y la posición orbital del satélite. δ = LongET LongSat 25

Distancia entre el satélite y la estación terrena (d) 2 2 1/ 2 = {( rt + h) 2( rt + h). rt. K d rt } (7) d + Donde: r t : Radio promedio de la tierra (6378.16 Km.) h : Altura del satélite (35 786 Km.) K d : Factor de posicionamiento geográfico K d = Cos( LongET LongSat). Cos( LatET ) (8) 1.19.3. Ángulo De Eje Polar Y De Declinación De Una Estación Terrena Con Antena De Soporte Polar Ángulo de Eje Polar Ángulo del eje polar = LatET Ángulo de declinación () φ = tan g 1 3964. sen( LatET ) 22300 + 3964(1 Cos( LatET )) 1.19.4. Ábaco Para El Cálculo De Los Parámetros Del Enlace Mediante el ábaco es posible calcular gráficamente el ángulo de azimut, de elevación y la distancia entre la estación terrena y el satélite. El ábaco contiene los parámetros geométricos de un satélite geoestacionario; permite dar una solución inmediata a parámetros importantes para la planificación de sistemas de comunicaciones por satélite. Los parámetros que se necesitan conocer para poder utilizar correctamente el ábaco son: - Latitud de la estación terrena (Eje vertical). - Diferencia de Longitudes entre la estación terrena y el satélite (Eje horizontal). 26

Se supone que la latitud del satélite es º 0, que la diferencia entre las dos longitudes es un numero positivo. Por esto es muy importante que la longitud de la estación terrena y la del satélite estén en la misma dirección (ambas en longitud este o longitud oeste). Para realizar los cálculos, se intersectan la proyección de la diferencia de longitud entre la estación terrena y el satélite(escala horizontal interior) con la proyección de la latitud de la estación terrena(escala vertical derecha). El punto de intersección obtenido se proyecta siguiendo las curvas concéntricas para obtener en la escala vertical izquierda el valor de la elevación directamente. El Azimuth, se extrae trazando una línea paralela a las líneas convergentes en el origen sobre el punto hallado, estando su valor en la escala horizontal superior, para hallar el valor correcto se requiere realizar una pequeña transformación(para estaciones terrenas ubicadas en el hemisferio sur). De la misma forma es posible leer la distancia(kms.) estación terrenasatélite. 1.19.5. Ruidos En Comunicaciones Por Satélites Densidad de ruido(n 0 ) Se presenta en cualquier canal de radio-comunicación. En las frecuencias RF el ruido es térmico. N 0 = K. T Donde: K : constante de Boltzman K = 1.3807x10-23 W/ºk-Hz T : Temperatura Temperatura de ruido del sistema(ts) Nos da la performance de la estación receptora, es decir cuan ruidosa va a ser esta, y es calculada a la entrada del LNB. En la comunicación por satélite, si un sistema tiene una temperatura de ruido más alta, entonces tiene menos performance. 27

En un sistema de comunicaciones por satélites debido a las frecuencias utilizadas, solo se considera el ruido termo dinámico asociado a la temperatura del ruido del cielo y al proveniente de la superficie de la tierra. (formula) donde: Ts : Temperatura de ruido del sistema (ºK) Ta : Temperatura de ruido de la antena (ºK) Tr : Temperatura del amplificador/conversor L.N.B (ºK) Lf : Pérdida en la línea (guía de onda) que conecta la antena al LNB, que se sume 0.1 db (1.0233 W). T 0 : Temperatura de ambiente donde se encuentra la guía de onda de conexión (293ºK). Potencia de ruido(n) N = K. Ts. B Donde : K : Cte. Boltzman = 1.3807x10-23 W/ºK-Hz Ts : Temperatura de ruido del sistema (ºK) B : Ancho de banda a utilizar (1/2 transponder) 1.19.6. Parámetros Que Intervienen En El Cálculo De Un Enlace Descendente Pérdida en el espacio libre (A 0 ) A = 92.45 + 20Log( d) + 20Log( 0 f Donde: A 0 : Pérdidas en el espacio libre (db) d : Distancia estación terrena a satélite (Kms) f : Frecuencia de operación (Ghz) ) 28

Potencia de la portadora en la antena (C) C = PIRE SAT A 0 + G Donde: PIRE : Potencia isotrópica radiada equivalente del satélite(db) Factor de mérito o sensibilidad de una estación receptora(g/ts) G/Ts (Db/ ºK) = G(dB) 10*Log(Ts)(ºK) Donde: Relación señal de portadora a ruido(c/n) C/N db = PIRE SAT A 0 + G/Ts K B C/N db = C SAT - N dbw Donde: C : Potencia de la señal portadora recibida N : Potencia de ruido de recepción Relación señal de recepción a ruido del sistema (S/N) S/N = C/Ts + 189.91 1.19.7. Evaluación De La Calidad Del Sistema El CCIR ha recomendado un circuito hipotético de referencia de los sistemas activos de comunicación por satélite, con el objeto de ofrecer una guía a los diseñadores de equipos y de sistemas para usarse en la red actual de telefonía y de televisión un circuito hipotético de referencia consiste en un satélite, una estación terrena transmisora y una estación terrena receptora. 1.19.8. TOPOLOGÍA ESTRELLA satelital En donde un elemento central (HUB) sirve de puente entre todos los terminales de la red, proporcionando la conmutación entre ellos. Aísla unos elementos del fallo de otros, pero presenta como un punto crítico el nodo central, que en caso de fallo deja la red sin servicio. 29

Satélite Retransmisor VSAT dowlink uplink VSAT VSAT Terminal Remoto Estación Central -Hub Ordenador Gráfico 12, Topología estrella para un sistema satelital Fuente: José Manuel Huidoro Moya, 2001, REDES Y SERVICIOS DE TELECOMUNICACIONES, Tercera Edición, Paraninfo Thomson Learning, España, 507 pág En un sistema de red satelital la emisión hacia el satélite se hace por una estación principal que posee una antena de dimensión mucho más grande que las antenas de los receptores (vea el gráfico 12); a esta estación principal se denomina también maestra ó concentrador y puede servir de enlace entre estaciones secundarias, aunque esto no es común. De acuerdo a los flujos en la red se presentan cuatro configuraciones distintas: Punto-multipunto unidireccional. Multipunto-punto unidireccional. Punto-multipunto bidireccional. Punto-punto bidireccional. 30

Gráfico 13, Topología estrella para un sistema satelital VSAT, o Very Small Aperture Terminal, es una pequeña estación terrestre (0.75 a 1.2m de diámetro), usada para la transmisión y recepción fullduplex, de todo tipo de datos, video o voz, vía un vínculo satelital. No es necesario adecuar los equipos terminales de datos (DTE), ya que simplemente se conectan al equipo de la terminal existente. 31