Este trabajo tiene
como eje central los enlaces satelitales, y dentro de dicho tema
se ha hecho hincapié en las características de las
comunicaciones
por satélite.
El trabajo comienza con una breve descripción de lo que se entiende por
satélite y sistema
satelital, para luego profundizar los modelos de
enlace del sistema satelital, que son tres: el modelo de
subida, el transponder y el modelo de bajada.
Posteriormente se analizan las orbitas satelitales,
describiendo en primer lugar los satélites
orbitales o no sincronos, para luego seguir con los
satélites geoestacionarios, donde se han incluido los
parámetros típicos de una órbita
geoestacionaria. El tema de las órbitas satelitales
concluye con los patrones orbitales, por ultimo se describen los
tres tipos de órbitas posibles: ecuatorial, polar, e
inclinada.
Luego se ha hecho una descripción completa acerca
de la longitud y latitud, para poder abordar
el tema de los ángulos de vista, que son: el ángulo
de elevación y azimut. Aquí se proporciona una
definición de dichos ángulos y se analiza la
atenuación de una onda radiada cuando el ángulo de
elevación es demasiado chico, también se incluye un
diagrama para
el calculo de dichos ángulos.
Por ultimo dentro del tema clasificaciones de los
satélites, esparcimiento y asignaciones de Frecuencia, se
analizan brevemente los satélites spinners y
estabilizadores de tres ejes (dentro de lo que comprenden las
clasificaciones). También se habla de la separación
espacial que debe existir entre los satélites y de que
depende dicha separación.
Finalmente se nombran las frecuencias de portadoras
más comunes y se proporciona un cuadro con las distintas
bandas de frecuencias para uso satelital.
Un satélite puede definirse como un repetidor
radioeléctrico ubicado en el espacio, que recibe señales
generadas en la tierra, las
amplifica y las vuelve a enviar a la tierra, ya sea
al mismo punto donde se origino la señal u otro punto
distinto.
Una red satelital consiste de un
transponder (dispositivo receptor-transmisor), una
estación basada en tierra que controlar su funcionamiento
y una red de
usuario, de las estaciones terrestres, que proporciona las
facilidades para transmisión y recepción del
tráfico de comunicaciones, a través del sistema de
satélite.
CARACTERISTICAS DE LAS REDES
SATELITALES
- Las transmisiones son realizadas a altas velocidades
en Giga Hertz.
- Son muy costosas, por lo que su uso se ve limitado a
grandes empresas y
países - Rompen las distancias y el tiempo.
ELEMENTOS DE LAS REDES SATELITALES
- Transponders
Es un dispositivo que realiza la función de
recepción y transmisión. Las señales
recibidas son amplificadas antes de ser retransmitidas a la
tierra. Para evitar interferencias les cambia la
frecuencia.
- Estaciones terrenas
Las estaciones terrenas controlan la recepción
con el satélite y desde el satélite, regula la
interconexión entre terminales, administra los canales de
salida, codifica los datos y controla
la velocidad de
transferencia.
Consta de 3 componentes:
- Estación receptora: Recibe toda la información generada en la
estación transmisora y retransmitida por el
satélite. - Antena: Debe captar la radiación del satélite y
concentrarla en un foco donde esta ubicado el alimentador. Una
antena de calidad debe
ignorar las interferencias y los ruidos en la mayor medida
posible.
Estos satélites están equipados con
antenas
receptoras y con antenas transmisoras. Por medio de ajustes en
los patrones de radiación de las antenas pueden generarse
cubrimientos globales, cubrimiento a solo un país
(satélites domésticos), o conmutar entre una gran
variedad de direcciones.
- Estación emisora: Esta compuesta por el
transmisor y la antena de emisión.
La potencia emitida
es alta para que la señal del satélite sea buena.
Esta señal debe ser captada por la antena receptora. Para
cubrir el trayecto ascendente envía la información
al satélite con la modulación
y portadora adecuada.
Como medio de transmisión físico se
utilizan medios no
guiados, principalmente el aire. Se utilizan
señales de microondas
para la transmisión por satélite, estas son
unidireccionales, sensibles a la atenuación producida por
la lluvia, pueden ser de baja o de alta frecuencia y se ubican en
el orden de los 100 MHz hasta los 10 GHz.
CLASIFICACION DE LAS TRANSMISIONES
SATELITALES
Las transmisiones de satélite se clasifican como
bus o carga
útil. La de bus incluye mecanismos de control que
apoyan la operación de carga útil. La de carga
útil es la información del usuario que será
transportada a través del sistema.
En el caso de radiodifusión directa de televisión
vía satélite el servicio que
se da es de tipo unidireccional por lo que normalmente se
requiere una estación transmisora única, que emite
los programas hacia
el satélite, y varias estaciones terrenas de
recepción solamente, que toman las señales
provenientes del satélite. Existen otros tipos de servicios que
son bidireccionales donde las estaciones terrenas son de
transmisión y de recepción.
Uno de los requisitos más importantes del sistema
es conseguir que las estaciones sean lo más
económicas posibles para que puedan ser accesibles a un
gran numero de usuarios, lo que se consigue utilizando antenas de
diámetro chico y transmisores de baja potencia. Sin
embargo hay que destacar que es la economía de escala (en
aquellas aplicaciones que lo permiten) el factor determinante
para la reducción de los costos.
Modelos de enlace del sistema
satelital
Esencialmente, un sistema satelital consiste de tres
secciones básicas: una subida, un transponder satelital y
una bajada.
- Modelo de subida
El principal componente dentro de la sección de
subida, de un sistema satelital, es el transmisor de la
estación terrena. Un típico transmisor de la
estación terrena consiste de un modulador de IF, un
convertidor de microondas de IF a RF, un amplificador de alta
potencia (HPA) y algún medio para limitar la banda del
espectro de salida (un filtro pasa-banda de salida).
El modulador de IF convierte las señales de banda
base de entrada a una frecuencia intermedia modulada e FM, en PSK
o en QAM. El convertidor (mezclador y filtro pasa-banda)
convierte la IF a una frecuencia de portadora de RF apropiada. El
HPA proporciona una sensibilidad de entrada adecuada y potencia
de salida para propagar la señal al transponder del
satélite. Los HPA comúnmente usados son klystons y
tubos de onda progresiva.
Modelo de subida del
satélite.
- Transponder
Un típico transponer satelital consta de un
dispositivo para limitar la banda de entrada (BPF), un
amplificador de bajo ruido de
entrada (LNA), un translador de frecuencia, un amplificador de
potencia de bajo nivel y un filtro pasa-bandas de
salida.
El transponder es un repetidor de RF a RF. Otras
configuraciones de transponder son los repetidores de IF, y de
banda base, semejantes a los utilizados en los repetidores de
microondas.
El BPF de entrada limita el ruido total aplicado a la
entrada del LNA (un dispositivo normalmente utilizado como LNA,
es un diodo túnel).
La salida del LNA alimenta un translador de frecuencia
(un oscilador de desplazamiento y un BPF), que se encarga de
convertir la frecuencia de subida de banda alta a una frecuencia
de bajada de banda baja.
El amplificador de potencia de bajo nivel, que es
comúnmente un tubo de ondas progresivas
(TWT), amplifica la señal de RF para su posterior
transmisión por medio de la bajada a los receptores de la
estación terrena.
También pueden utilizarse amplificadores de
estado
sólido (SSP), los cuales en la actualidad, permiten
obtener un mejor nivel de linealidad que los TWT.
La potencia que pueden generar los SSP, tiene un
máximo de alrededor de los 50 Watts, mientras que los TWT
pueden alcanzar potencias del orden de los 200 Watts.
Transponder del
satélite.
- Modelo de bajada
Un receptor de estación terrena incluye un BPF de
entrada, un LNA y un convertidor de RF a IF. El BPF limita la
potencia del ruido de entrada al LNA. El LNA es un dispositivo
altamente sensible, con poco ruido, tal como un amplificador de
diodo túnel o un amplificador parametrico. El convertidor
de RF a IF es una combinación de filtro
mezcador/pasa-bandas que convierte la señal de RF a una
frecuencia de IF.
Satélites orbitales
Los satélites orbitales o también llamados
no sincronos, giran alrededor de la Tierra en un patrón
elíptico o circular de baja altitud. Si el satélite
esta girando en la misma dirección que la rotación de la
Tierra y a una velocidad angula superior que la de la Tierra, la
órbita se llama órbita progrado. Si el
satélite esta girando en la dirección opuesta a la
rotación de la Tierra, o en la misma dirección,
pero a una velocidad angular menor a la de la Tierra, la
órbita se llama órbita retrograda.
De esta manera, los satélites no sincronos esta
alejándose continuamente o cayendo a tierra y no
permanecen estacionarios en relación a ningún punto
en particular de la Tierra. Por lo tanto los satélites no
sincronos se tiene que usar cuando están disponibles, lo
cual puede ser un corto periodo de tiempo, como 15 minutos por
órbita.
Otra desventaja de los satélites orbitales es la
necesidad de equipo complicado y costoso para rastreo en las
estaciones terrestres. Cada estación terrestre debe
localizar el satélite conforme esta disponible en cada
órbita y después unir sus antenas al
satélite y localizarlo cuando pasa por arriba. Una gran
ventaja de los satélites orbitales es que los motores de
propulsión no se requieren a bordo de los satélites
para mantenerlos en sus órbitas respectivas.
Otros parámetros característicos de los
satélites orbitales, son el apogeo y perigeo. El apogeo es
la distancia más lejana, de la Tierra, que un
satélite orbital alcanza, el perigeo es la distancia
mínima; la línea colateral, es la línea que
une al perigeo con el apogeo, en el centro de la
Tierra.
Se observa en la imagen a
continuación, que la órbita del satélite la
cual es altamente elíptica, con un apogeo de
aproximadamente 40000 km y un perigeo de aproximadamente 1000
km.
Satélites geoestacionarios
Los satélites geoestacionarios o geosincronos son
satélites que giran en un patrón circular, con una
velocidad angular igual a la de la Tierra. Por lo tanto
permanecen en una posición fija con respecto a un punto
específico en la Tierra. Una ventaja obvia es que
están disponibles para todas las estaciones de la Tierra,
dentro de su sombra, el 100% de las veces.
La sombra de un satélite incluye a todas las
estaciones de la Tierra que tienen un camino visible a el y
están dentro del patrón de radiación de las
antenas del satélite. Una desventaja obvia es que a bordo,
requieren de dispositivos de propulsión sofisticados y
pesados para mantenerlos fijos en una órbita. El tiempo de
órbita de un satélite geoesincrono es de 24 h,
igual que la Tierra.
- Parámetros típicos de la
órbita geoestacionaria.
Es posible calcular algunos parámetros
típicos de la órbita geoestacionaria, tales como la
altura del satélite, o la velocidad del mismo, partiendo
de las leyes
básicas de la Física.
Como es sabido un satélite geoestacionario tiene
un periodo de rotación igual al de la Tierra, por lo tanto
deberemos saber con exactitud dicho periodo de rotación.
Para ello se considera el día sidereo, que es el tiempo de
rotación de la Tierra medido con respecto a una estrella
lejana y que difiere del día solar o medido con respecto
al sol.
La duración de este día sidereo es de 23h
56 min. 4.1seg, y es el tiempo que se utiliza para los
cálculos.
Fuerzas sobre el
Satélite.
Existen tres trayectos que un satélite puede
tomar, conforme gira alrededor de la Tierra:
- Cuando el satélite gira en una órbita
arriba del ecuador, se
llama órbita ecuatorial. - Cuando el satélite gira en una órbita
que lo lleva arriba de los polos norte y sur, se llama
órbita polar. - Cualquier otro trayecto orbital se llama
órbita inclinada.
Un nodo ascendente, es el punto en donde la
órbita cruza el plano ecuatorial de sur a norte; un nodo
descendente, es el punto donde la órbita cruza el plano
ecuatorial de norte a sur. La línea que une a los nodos
ascendentes y descendentes por el centro de la Tierra, se llama
línea de nodos.
Orbitas del satélite.
Como primera medida para describir el paso de un
satélite en órbita, se debe designar un punto de
observación o un punto de referencia. Este
punto podrá tratarse de un lugar distante, tal como una
estrella, o un punto en la superficie de la tierra, o
también el centro de la Tierra, que a su vez el centro de
gravedad del cuerpo principal.
En caso de tomar como lugar de observación un
punto en la superficie de la Tierra, deberemos estar en
condiciones de localizar dicho punto mediante algún
método.
Este método de localización es a
través del meridiano. Estas líneas conforman un
cuadriculado sobre la superficie de la Tierra. Las líneas
verticales se denominan Longitud y las líneas horizontales
se denominan Latitud.
Las líneas de Longitud se extienden desde el
Polo Norte al
Polo Sur, es decir que son círculos iguales al contorno de
la Tierra que se interceptan en los polos. Se ha definido por
convención, como primer meridiano o Longitud cero grados,
al meridiano que pasa por la ciudad de Greenwich, tomando el
nombre de dicha ciudad.
En total son 360 líneas, lo que equivale a 18
círculos completos. De esta manera se componen los 360
grados de Longitud, partiendo desde la línea de Longitud
00 hacia el Este.
Las líneas de Latitud están conformadas
por 180 círculos paralelos y horizontales, siendo el
círculo mayor el ubicado en la línea del Ecuador
denominada Latitud cero grados.
De esta forman existen 900 hacia el
hemisferio Norte, denominados Latitud Positiva y 900
hacia el hemisferio Sur, denominados Latitud Negativa.
Por lo tanto mediante la intersección de las
coordenadas de Latitud y Longitud podremos localizar un punto que
este sobre la superficie de la Tierra.
En cuanto a un satélite, este se encuentra en el
espacio, y su posición puede ser estimada con una Latitud,
una Longitud y una altura. Dicha altura estará referida a
un punto sobre la Tierra que es la intersección de la
recta que une al satélite con el centro de la Tierra y la
superficie terrestre.
.
Líneas de Latitud y
Longitud
Para orientar una antena desde una estación
terrena hacia un satélite, es necesario conocer el
ángulo de elevación y azimut. Estos se llaman
ángulos de vista.
Angulo de elevación
El ángulo de elevación es el ángulo
formado entre la dirección de viaje de una onda radiada
desde una antena de estación terrena y la horizontal, o el
ángulo de la antena de la estación terrena entre el
satélite y la horizontal. Entre más pequeño
sea el ángulo de elevación, mayor será la
distancia que una onda propagada debe pasar por la atmósfera de la
Tierra. Como cualquier onda propagada a través de la
atmósfera de la Tierra, sufre absorción y,
también, puede contaminarse severamente por el ruido. De
esta forma, si el ángulo de elevación es demasiado
pequeño y la distancia de la onda que esta dentro de la
atmósfera de la Tierra es demasiado larga, la onda puede
deteriorarse hasta el grado que proporcione una
transmisión inadecuada. Generalmente, 5º es
considerado como el mínimo ángulo de
elevación aceptable.
Azimut
Azimut se define como el ángulo de apuntamiento
horizontal de una antena. Se toma como referencia el Norte como
cero grados, y si continuamos girando en el sentido de las agujas
del reloj, hacia el Este, llegaremos a los 900 de
Azimut.
Hacia el Sur tendremos los 1800 de Azimut,
hacia el Oeste los 2700 y por ultimo llegaremos al
punto inicial donde los 3600 coinciden con los
00 del Norte.
El ángulo de elevación y el azimut,
dependen ambos, de la latitud de la estación terrena,
así como el satélite en órbita.
CLASIFICACIONES DE LOS SATELITES
Hay dos clasificaciones principales para los
satélites de comunicaciones: hiladores (spinners) y
satélites estabilizadores de tres ejes.
Los satélites spinners, 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.
Clases de satélites: (a) hilador;
(b) tres ejes estabilizados.
Los satélites geosincronos deben compartir un
espacio y espectro de frecuencia limitados, dentro de un arco
especifico en una órbita geoestacionaria. A cada
satélite de comunicación se asigna una longitud en el
arco geoestacionario, aproximadamente a 36000 km, arriba del
ecuador. La posición en la ranura depende de la banda de
frecuencia de comunicación utilizada. Los satélites
trabajando, en o casi la misma frecuencia, deben estar lo
suficientemente separados en el espacio para evitar interferir
uno con otro. Hay un limite realista del numero de estructuras
satelitales que pueden estar estacionadas, en un área
especifica del espacio.
La separación espacial requerida depende de las
siguientes variables:
- Ancho de haz y radiación del lóbulo
lateral de la estación terrena y antenas del
satélite. - Frecuencia de la portadora de RF.
- Técnica de codificación o de modulación
usada. - Limites aceptables de interferencia.
- Potencia de la portadora de
transmisión.
Generalmente se requieren 3 a 6º de
separación espacial dependiendo de las variables
establecidas anteriormente.
Separación espacial de
satélites en una órbita geosincrona.
Las frecuencias de portadora, más comunes, usadas
para las comunicaciones por satélite, son las bandas 6/4 y
14/12 GHz. El primer numero es la frecuencia de subida
(ascendente, estación terrena a transponder) y el segundo
numero es la frecuencia de bajada(descendente, transponder a
estación terrena). Entre mas alta sea la frecuencia de la
portadora, más pequeño es el diámetro
requerido de la antena para una ganancia especifica.
La mayoría de los satélites
domésticos utilizan la banda de 6/4 GHZ, esta banda
también se usa extensamente para los sistemas de
microondas terrestres, por lo que se debe tener cuidado cuando se
diseña una red satelital para evitar interferencias con
los enlaces de microondas establecidas. Ciertas posiciones en la
órbita geosincrona tienen más demanda que
otras.
El primer tema desarrollado en este trabajo son los
modelos de enlace del sistema satelital; en cuanto a esto podemos
decir que tanto en el enlace ascendente como en el enlace
descendente las perdidas que sufren las ondas radiadas, que son
proporcionales a la inversa del cuadrado de la distancia, son muy
grandes, además en las frecuencias que están por
encima de los 10 GHz se añaden las perdidas provocadas por
la lluvia.
En el enlace ascendente, es posible colocar en las
estaciones terrenas transmisores con mucha potencia, y antenas de
gran tamaño para tener una mayor ganancia, todo esto,
aunque es posible resulta en un incremento de los
costos.
Pero la situación se complica mucho mas en el
enlace descendente, ya que la potencia del transmisor esta
limitada por la energía que pueda generar el
satélite, la cual no es mucha, también, el
tamaño de la antena esta limitado por la zona de servicio
que deba cubrirse y además por el costo que
implicaría transportarla. Esto hace que las señales
recibidas de los satélites, en la tierra, sean
extremadamente débiles, es por ello que se le debe dar
fundamental importancia a la ganancia de la antena, la eficiencia del
transmisor, la figura de ruido del receptor y el tipo de
modulación y técnica de acceso.
Cuando se analizo el transponder del satélite
vimos que este consistía básicamente de un
amplificador de bajo ruido, un convertidor o traslator de
frecuencia y por ultimo un amplificador de potencia. El
inconveniente con el transponder surge cuando se utiliza la
técnica de Acceso Múltiple por División de
Frecuencia (FDMA), donde es usual que existan numerosas
portadoras por transponder, lo cual si bien mejora la
conectividad y el acceso múltiple, por otro lado tiene el
inconveniente de que genera ruido de intermodulacion en el
amplificador del transponder, lo que obliga a que este trabaje en
condiciones de bajo rendimiento de potencia (debe trabajar en una
zona lineal).
Con el Acceso Múltiple por División de
Tiempo (TDMA), en cada instante solo esta presente una portadora,
por lo que no existen problemas de
intermodulacion y se puede hacer trabajar al amplificador del
transponder en saturación, obteniéndose un
máximo de rendimiento. El inconveniente de esta
técnica de acceso es que requiere una temporizacion
estricta y una gran capacidad de almacenamiento y
procesamiento de la señal.
Otro elemento critico son los amplificadores de bajo
ruido (LNA) presentes tanto en el satélite (para el enlace
ascendente) como en las estaciones terrenas (para el enlace
descendente). La importancia de los mismos, radica en el hecho de
que debido a las grandes distancias, las señales recibidas
son muy débiles, por lo tanto es necesario que el primer
elemento que entra en contacto con dichas señales posea un
ruido interno mucho menor que la señal recibida para que
no se degrade la calidad. En consecuencia, debido a las potencias
extremadamente pequeñas de las señales recibidas,
normalmente un LNA esta físicamente situado en el punto de
alimentación de la antena.
Otro de los temas desarrollados son las Orbitas de los
Satélites, de acuerdo a ellas, teníamos los
satélites orbitales o no sincronos que giran alrededor de
la Tierra en un patrón elíptico o circular de baja
altitud, y los satélites geoestacionarios o geosincronos
que giran alrededor de la Tierra con un patrón circular, y
una velocidad angular igual a la de la Tierra.
Los satélites geoestacionarios tienen la ventaja
de permanecen fijos con respecto a un punto especifico de la
Tierra, por lo tanto para comunicarse con ellos las antenas de
las estaciones terrestres estarán estáticas, porque
no necesitan seguir al satélite, en consecuencia
podrán ser sencillas y económicas.
Otras de las ventajas en el caso de los satélites
geoestacionarios de alta altitud es que pueden cubrir un
área de la tierra mucho mayor que sus contrapartes
orbitales de baja altitud, sin embargo estas altitudes superiores
introducen tiempos de retardo de propagación más
largos y además se requieren mayores potencias de
transmisión como así también receptores
más sensibles.
Cabe destacar que la tendencia en la evolución de los satélites de
telecomunicaciones es hacia el uso de terminales
de recepción pequeños y de bajo costo para poder
permitir el acceso al sistema de una mayor cantidad de usuarios.
Estos requerimientos se pueden llevar adelante mediante el uso de
técnicas de procesamiento de señales
que permitan la codificación y control de errores de los
datos enviados por los usuarios, también mediante el
empleo de
antenas multihaz, con haces spot de gran ganancia.
Estas técnicas son usadas en los sistemas
globales de comunicaciones por satélite, donde se ha
preferido la utilización de conjuntos de
satélites en órbitas bajas, en lugar de emplear
satélites en órbitas geoestacionarias.
DOCUMENTO IEEE "Características de una Radio LAN"
1992 LACE Inc.
Chandos A. Rypinski.
Revista PC/Tips Byte
articulo: "Redes
Inalámbricas"
Abril 1992 Nicolas Baran.
Revista PC/Magazine
articulo: "Sin Conexión"
Marzo 1995 Padriac Boyle.
Jenny M. Angulo
Jorge R. Hernandez
Deibis A. Moreno
Republica Bolivariana de Venezuela
Ministerio de Educación
Superior
Universidad Alejandro de Humboldt
Caracas, 18 de Abril del 2005