Comunicación vía Satelite Introducción El Presidente Eisenhower transmitió la primera señal de Televisión a través de un satelite de comunicaciones y desde entonces, las comunicaciones se han visto revolucionadas en el ámbito mundial. Se pueden transmitir canales de televisión, telefonía, datos, Internet, sistemas GPS, redes corporativas e incluso se pueden tomar fotografías satelitales lográndose ver hasta la hora marcada en un reloj de pulsera de una persona que se encuentra en la tierra.

Una serie de aplicaciones sobre satelite han sido impulsadas por las fuerzas armadas que han usado ampliamente las comunicaciones satelitales para comunicaciones estratégicas, tácticas y de soporte. Se cuenta también con aplicaciones de telefonía, redes privadas y las compañías grandes y medianas la han utilizada como el medio para hacer bypass a los carriers locales ya que por medio de los enlaces satelitales pueden tener acceso directo a sus propios PBX haciéndolo económicamente viable para estas aplicaciones. Las VSATs han sido un medio efectivo para hacerlo y prueba de ello son los hoteles, bancos, cadenas de comida rápida, tiendas de autoservicio y otras entidades comerciales que las utilizan para transmisión de datos, voz y video de alta calidad.

Los enlaces satelitales se vuelven cada ves más redituables a medida que las tecnologías van evolucionando y mejorando para permitir mayor número de canales de comunicación de calidad utilizando mejores técnicas de modulación digital, técnicas de acceso múltiple al canal de acuerdo a los diversos tráficos o tipos de enlaces de comunicación que se establezcan por mencionar algunos de ellos.

Las frecuencias de las microondas originalmente fueron diseñadas para los radares militares y ahora también son ampliamente utilizadas en la comunicación vía satelite. Las antenas parabólicas en tierra no han tenido un desarrollo notable, sin embargo la construcción de los reflectores si han tenido una mayor atención.

La comunicación vía satelite fue posible por los avances en la teoría de semiconductores y con la aparición del transistor que permitió desplazar a los tubos de vacío, aparecieron también las baterías níquel-hidrogeno y los paneles solares de alta eficiencia. Otro avance en los diseños de los satélites fue el diseño térmico de la nave espacial además que la confiabilidad de los subsistemas al bordo de la nave ha sido de tal magnitud que es posible crear satélites con un tiempo de vida de hasta 20 años.

Los satélites de comunicaciones han demostrado proveer comunicaciones de calidad en un entorno global y, a pesar de que han logrado grandes avances, aun se cuenta con recursos limitados que deben ser

debidamente administrados en la nave satelital como son potencia de transmisión y ancho de banda de espectro radioeléctrico. Historia de los satélites en México En México se han identificado tres fases o generaciones de la comunicación vía satelite de acuerdo a los satélites de comunicaciones con fines comerciales. Todo tuvo su inicio el 17 de Junio de 1985 al colocar en orbita el Morelos I, junto que con su gemelo Morelos II, lanzado cuatro años más tarde, dieron un impulso decisivo al desarrollo y modernización de nuestro país en materia de telecomunicaciones. Los satélites fueron construidos resultado del contrato celebrado entre Secretaria de Comunicaciones y Transportes y Hughes Aircraft que significo una erogación de 150 millones de dólares y demostró un ahorro de 1.6 millones de dólares anuales por concepto de renta de capacidad satelital a INTELSAT. La adquisición de Morelos I y II permitió contar con sistemas de comunicaciones nacionales y lograr una plena independencia en las comunicaciones con el exterior. Los satélites operaban en la banda C y en la banda Ku encontrándose ubicados en las posiciones orbitales 113.5° y 116.8° longitud oeste. La segunda generación se encuentra representada por los satélites Solidaridad I y II cuyo nombre es indicativo de la forma en como las comunicaciones por satelite estaban unificando las zonas urbanas y a los lugares remotos del país entre si y con el resto del mundo. Los satélites Solidaridad I y II remplazaron a los satélites Morelos que terminaron su operación en 1994 (con excepción de Morelos II, que hasta el 2002 aun se encontraba controlado por el centro de control satelital de satélites Mexicanos). El sistema de satélites Solidaridad cuenta con dos naves espaciales de establecimiento triaxial, y pertenecían a la serie HS-601 de la compañía Hughes Aircraft. Los satélites solidaridad ocuparon las posiciones orbitales 109.2° longitud oeste y otra en la 113° longitud oeste. La tercera generación de satélites estuvo caracterizada por la privatización de Telecomm y se oficializa con la puesta en orbita del satelite Satmex 5 que fue el primer satelite mexicano puesto en orbita bajo contrato de una empresa privada y en ese momento era el único satelite con cobertura de todo el continente americano con una misma huella satelital. también fue construido por Hughes Aircraft y es un satelite de alta potencia que permite la transmisión de señales de televisión directa al hogar a antenas menores de 1 metro de diámetro1. Actualmente se proyecta lanzar el satelite Satmex 6 que fue construido por Space Systems/Loral y es capaz de generar 14.1 kW con un total de 60 transpondedores; 36 operan en banda C y 24 operan en la banda Ku. Este nuevo satelite, cuyo costo asciende a los 200 millones de dólares, no ha sido lanzado aun por Satmex y ha pedido un tercer aplazamiento para no perder el slot satelital que les han asignado. Por otra parte, se han realizado esfuerzos notables y admirables en el desarrollo de tecnología satelital con la participación de ingenieros de 1 Ríos Ramsés (2001), Reporte de prácticas profesionales no publicado.

universidades mexicanas como son la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada (CICESE) y el Instituto Politécnico Nacional (IPN). La UNAM en conjunto con Russia permitió construir un satelite en 1995 pero lamentablemente fue un fracaso debido a fallas en el cohete ruso. Hay otro proyecto llamado SATEX que consiste en construir y lanzar al espacio para el año 2006 un satélite del tamaño de un televisor de 25 pulgadas, participan desde hace cinco años instituciones educativas y centros de investigación de todo el país. Entre ellos, la UNAM, el Instituto Politécnico Nacional (IPN) y el Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada, Baja California (CICESE). En enero del 2005 se publico que UNAM y el Instituto Skobeitsyn de Física Nuclear de la Universidad Estatal de Moscú trabajaran conjuntamente en la construcción de un “nanosatélite", llamado así por su pequeño tamaño y escaso peso, 10 kilogramos, con el propósito de detectar precursores eléctricos y electromagnéticos, con importante potencial es para prever posibles terremotos. Fundamentos de comunicaciones satelitales Por definición, una red satelital es una red de comunicación de datos que utiliza uno o más satélites de comunicaciones que orbitan alrededor de la tierra. Pueden ser divididas en dos segmentos: segmento espacial y segmento terrestre. El segmento satelital consiste en infraestructura del satélite en el espacio y sus sistemas de comunicaciones. Si una red opera con más de un satélite, el segmento satelital también incluye enlaces de comunicación inter-satelital (ISL-Intersatellite Links). El segmento terrestre, consiste en las estaciones terrenas, los centros de control de red y centros de operación de red. Una estación terrena tiene una antena satelital, en forma de disco usualmente, y otros dispositivos de comunicaciones y software para la transmisión y recepción de señales de los satélites2. El ingeniero de comunicaciones satelitales deberá por lo tanto realizar cálculos de enlace adecuados que cumplan con los requerimientos necesarios para contar con un enlace de comunicación satelital de calidad. Por otro lado, el ingeniero de la nave espacial será el encargado de determinar que subsistemas son necesarios para que el satelite proporcione los servicios y que se optimicen los recursos de la nave durante su operación continua durante el tiempo de vida para la que fue diseñada. Las estaciones terrenas actúan como interfaces de red entre diferentes redes externas y redes satelitales, también realizan conversiones de protocolos, 2 Zhang, 2003

direcciones y formatos. El segmento satelital esta compuesto por satélites que se pueden clasificar en satélites GSOs (geostationary orbit), que se encuentran en posición geoestacionaria, y los NGSOs (no geostationary orbit), que se encuentran en orbitas más bajas, se incluyen satélites MEOs (medium earth orbit) y LEOs (low earth orbit).3

GSO La orbita GSO, también denominados GEO, se encuentran a una distancia mínima de 35,786 km arriba del ecuador, y su giro está sincronizado con la rotación de la tierra, por lo que aparece fijo viéndolo desde la superficie de la tierra y puede servir como repetidor en el espacio. La gran altitud en la que son colocados les permite tener un área mayor de cobertura cubriendo un tercio de la superficie de la tierra, excluyendo las áreas altas de latitud. El área de cobertura de un satélite recibe el nombre de Huella. Para cubrir la superficie de la tierra es suficiente con tres satélites, sin embargo el costo de lanzar satélites es muy elevado y la señal es sensible a la distancia, por lo que es necesario utilizar antenas relativamente grandes y potencias de transmisión elevadas. El más grave problema es el retardo de propagación para enlaces GSO que se encuentra entre 250-280 ms que no es deseable para tráfico en tiempo real. Cuadro 1. Proyección operadores de satélites GEO y número de satélites4.

1979 1989 1999 2000 2009 Numero de operadores de satélites GEO activos al final del año

6 23 43 46 40/50

Numero de satélites GEO en operación 24 73 212 233 220/235

MEO y LEO La distancia de los satélites MEO a la superficie de la tierra es de aproximadamente a 10000- 12000 km con un retardo de propagación de salto satelital de la señal de 110-130 ms. Los satélites LEOs se encuentran entre 200 y 3000 km sobre la superficie de la tierra y tienen un retardo de propagación de salto satelital de 20-25 ms. Estas redes tienen la ventaja de tener baja latencia, pero requieren de una administración de red más rigurosa lo que hace más complejas y caras. Desde que los satélites giran a una velocidad mayor a la de la tierra se requieren de sistemas complejos para mantener el servicio continuo.5 3 Hu, 2001 4 Telecommunications and Information HighWays, 2004 5 Hu, (2001), Zhang, (2003)

Teledesic, fue fundado en 1990. El diseño, producción y desarrollo de la red Teledesic costo $9 billones de dólares. Teledesic ofrece servicios parecidos a los que actualmente ofrece las comunicaciones de fibra óptica en las áreas urbanas. Cuenta con una constelación de 288 satélites de orbita baja, después de algunas crisis, inicio sus operaciones nuevamente en 2003. SkyBridge, fue creada por Alcatel Alsthom de Francia en 1993, desarrollando su sistema de satélites de banda ancha LEO para competir con Teledesic. SkyBridge esta diseñado para proporcionar servicios al mercado de acceso de banda ancha local trabajando con los operadores locales y solucionar el problema de la última milla como también proveer acceso universal. SkyBridge es un sistema de 80 satélites que consiste en dos sub-constelaciones de 40 satélites cada uno.

Globalstar, es un sistema satelital fundado por Loral y Qualcomm basado en satélites LEO y consiste en 48 naves espaciales con 4 spares de repuesto.

ICO, consiste en 10 naves espaciales con 2 spares en orbita en una orbita inclinada de 45 grados. Hughes Space and Communications es el seleccionado para diseñar, construir y lanzar los satélites ICO. Ofrece servicios como voz, datos y fax, mensajes y conferencias telefónicas tripartitas.

IRIDIUM, inicio operaciones en 1998. Provee comunicaciones móviles a nivel global usando 66 satélites LEO en una orbita inclinada. A pesar que al principio el sistema consistía en 77 satélites se redimensiono a 66. El grupo de comunicaciones satelitales de motorola diseño y construyo los satélites iridium. Los satélites Iridium se comunican unos con otros usando enlaces intersatelitales en naves que cuentan con procesamiento a bordo. Cada satelite esta “conectado” con cuatro de sus satélites vecinos para mayor flexibilidad para conectarse a las puertas de enlace (gateway) que se encuentran conectadas a la red telefónica publica conmutada (PSTN). Se declaro en banca rota en 1999 y en el año 2000 fue adquirida pro Dan Colussy, un veterano de la industria de la aviación por 25 millones de dólares que incluyen la constelación de satélites y la red terrestre. En 2001 inicia nuevamente sus operaciones con precios más bajos. Uno de sus clientes principales es el Departamento de Defensa de los Estados Unidos de Norteamérica.

ORBCOMM, Fue creado por Teleglobe y Orbital Sciences Corporation con el objetivo de ofrecer servicios globales de mensajes, monitoreo y seguimiento digital en dos vías a través de 36 satélites de orbita baja. El servicio comercial inicio en 1998.

Diversos son los servicios que se pueden ofrecer a través de los sistemas satelitales. Se han mencionado sólo algunos de los proyectos que se han implementado en la orbita geosincrona y en la orbita baja. Respecto a los satélites que se encuentran en la orbita media se encuentran otros satélites

como los usados para los sistemas de geoposicionamiento global, coloquialmente conocidos por sus siglas en ingles como GPS.

Entre los sistemas MEOs se encuentran NAVSTAR GPS operado por la fuerza aérea de los Estados Unidos de Norteamérica para proveer información de navegación de alta precisión para las fuerzas militares alrededor del mundo y por una serie de productos comerciales. Esta red de satélites esta compuesta por 24 satélites MEOs activos con cuatro de respaldo que se encuentran en una constelación de seis planos con cuatro satélites operativos cada uno con un periodo de operación orbital de 12 horas. NAVSTAR GPS logro su capacidad operacional completa en 1995, dos años y cuatro meses después que iniciaron sus operaciones. Se encuentra también GLONASS, Global Navigation Satellite System, que consiste en una constelación de satélites activos que continuamente transmiten señales codificadas en dos bandas de frecuencias para ser utilizadas por los usuarios como mecanismos para la identificación de posición y velocidad en tiempo real.

GLONASS es la contraparte rusa de NAVSTAR GPS y esta formado por 24 satélites activos operando en una constelación de tres planos con ocho satélites cada uno. Hay satélites usados para la predicción del clima en tiempo real, para prevenir tormentas, huracanes, tormentas de invierno etcétera, etcétera pero estos no serán abordados en este capitulo.

En el apartado siguiente se mencionarán las diversas clasificaciones de redes de comunicación satelital de acuerdo al arreglo de sus enlaces entre diversas estaciones terrenas de la red. A esto se le llama Arquitectura, a la configuración o topología de la red. La selección de técnica de acceso/multiplexación/modulación son funciones de la arquitectura de red que también se deben considerar6

Redes Unidireccionales Son las redes de comunicación satelital en donde la información es transmitida en una sola dirección, generalmente usando el satélite como un retransmisor de la información que recibe para su distribución (Redes de Distribución) o de recolección (Redes de Recolección). Enseguida se describe cada una de ellas. Redes de Distribución En todas las redes de distribución, la estación central, comúnmente llamada Hub es sólo de transmisión mientras que las estaciones receptoras cuentan sólo con recepción. 6 ITU, (2002)

Aplicaciones de este tipo de redes: GPS (Sistema de Posicionamiento Global), es básicamente recepción en

pequeños dispositivos receptores de la señal de diversos satélites. Sistemas de Televisión directo a casa DTH (Direct-to-home) para la

radiodifusión de programas televisivos. Estas aplicaciones están creciendo muy rápidamente debido a la transmisión digital de señales de múltiples canales.

Distribución de datos a VSATs. El costo y la disponibilidad limitada de segmento espacial son siempre factores importantes; el diseño del sistema esta comúnmente basado en el uso de una parte de recurso espectral de satélite (Ej. transponder) y la optimización de la aplicación del enlace es un compromiso entre el costo de la VSAT y el espacio de espectro utilizado en el satélite (ancho de banda o segmento satelital ocupado).

Redes de Recolección Estas operan de manera contraria a las redes de Distribución y son usadas para transmitir datos en un sólo sentido, desde las estaciones terrenas remotas hacia una estación terrena central.

Redes Bidireccionales Las redes bidireccionales proveen las aplicaciones más generales de la comunicación satelital. Los tipos de arquitecturas bidireccionales son: Enlaces punto-punto, punto-multipunto, malla, estrella y configuraciones mezcladas (figura 2d). Enlaces punto-punto y punto-multipunto (figura 2a) Los enlaces punto-punto son elementalmente una conexión bidireccional entre dos estaciones terrenas. El término, enlace punto-multipunto, se refiere a la conexión recíproca de la red a un número limitado de estaciones terrenas (Ej. más de 5), que son, preferentemente todas, del mismo tipo. Estos tipos de redes, punto-punto y punto-multipunto, son los tipos de redes más comunes.

Sus aplicaciones son: interconexión a centros de comunicación principales para el enrutamiento de alto tráfico telefónico, transmisión de datos de alta velocidad, etc. Redes en Malla (Fig. 2b) Son aquellas redes capaces de interconectarse completamente con un número significativo de estaciones terrenas, generalmente del mismo tipo. Las redes en malla permiten la interconexión entre centros sin jerarquías. Cuando son conectadas a redes terrestres, las estaciones terrenas operan como nodos de un sistema de comunicación completo.

Sin embargo, si la red es operada en TDMA (Time Division múltiple

Access), la estación TDMA de referencia (centro de control central) debe incluir funciones de administración de tráfico, incluyendo asignación de demanda, que juega el rol de intercambio de tránsito. También en los sistemas rurales con satelitales avanzados, las interconexiones en malla pueden ser implementadas para permitir comunicación directa entre estaciones locales y remotas, comúnmente bajo un control centralizado DAMA. Redes en estrella (Fig. 2c) La arquitectura estrella, que al principio era considerada en redes unidireccionales, cuenta en la actualidad con muchas aplicaciones para redes bidireccionales entre centros jerárquicos. Las aplicaciones principales de esta arquitectura son:

Telecomunicaciones rurales que se caracterizan por las siguientes características: dificultad para obtener electricidad, falta de personal capacitado, áreas muy aisladas, condiciones ambientales severas, restricciones de costos.

Comunicaciones corporativas entre una Central de procesamiento de datos. Ej. Un ordenador anfitrión y terminales DTE (Digital Terminating Equipment). Así el ordenador anfitrión es conectado al Hub (Estación Terrena Central) y los DTEs son conectados a las VSATs.

Los satélites de comunicación se dividen en dos amplias categorías de acuerdo a los procesos que experimenta la señal cuando es recibida en el satelite. En la primera categoría se encuentran todos los satélites que son repetidores. Los satélites repetidores son aquellos que actúan como un espejo amplificador y convertidor de frecuencia en el espacio de las señales que recibe; las amplifica en baja señal a la recepción de la nave, les cambia sus frecuencias y las amplifica en alta potencia para transmitirlas a la tierra nuevamente. Véase la figura 1.

Mezclador

Oscilador

Local

LNA HPA

Antena

receptora

Antena

transmisora

obtener de transpondedor.eps

Figura 1. Diagrama a bloques funcional de un canal repetidor de satelite La segunda categoría de satélites son aquellos que cuentan con procesamiento a bordo de la nave, donde las señales de radiofrecuencia son demoduladas a banda base y regeneradas nuevamente, aumentando de esta manera la calidad de la señal. Entre los satélites que cuentas con procesamiento a bordo se encuentran la mayoría de los satélites LEO de proyectos como Teledesic e Iridium, también cuentan con procesamiento a bordo algunos de los satélites que operan en la orbita media. Los satélites geosincronos comúnmente y en su mayoría solo cuentan con los bloques generales que se presentaron en la figura 1 mostrada anteriormente. La construcción de satélites es una gran obra de ingeniería y casi una obra de arte donde la mayoría de su construcción es hecha a mano por especialistas en el ramo y puede tomar años construirlos y lanzarlos. Entre avances en la contracción de satelite se encuentra el subsistema de antena donde antes se utilizaba un solo has de comunicaciones ahora se utilizan múltiples haces que permiten la comunicación a áreas más especificas, estaciones terrenas de aperturas más pequeñas y un aumento en el reuso de frecuencias. En los ochentas se implanto un mecanismo de reuso de frecuencias en la banda C y Ku mediante la cross-polarización y después se ofrecía reuso de frecuencias mediante múltiples haces mas direccionados7. Con respecto a la antena parabólica del satelite, actualmente es posible utilizar un solo radiador y un solo subreflector parabólico que es modificado especialmente para que al recibir una sola señal de un radiador con cierto ángulo de incidencia pueda generar diferentes haces de radiación hacia la tierra y proporcionar una huella satelital deseada. No se abordara a mayor detalle sobre los subsistemas de la nave ya que es muy complejo y requeriría de otro capitulo completo dedicado a este tema.

7 Gedney Richard, Scherte Ronald y Gargione Frank (2000)

C

BD

D

C

BD

D

C

BD

D

C

BD

D

C: Colección

D: DistribuciónBD: Bidireccional

Estaciones

Remotas

EstaciónCentral

(Hub)

Fig. 1a

Red Estrella

Fig. 1b

Punto-Multipunto

Fig. 1cRed en Malla

Fig. 1d

Red mezclada o

combinada

Figura 2. Arquitecturas Genéricas de Redes Satelitales

Obtener de topologias.eps

PRINCIPIOS BASICOS EN EL CÁLCULO DE UN ENLACE SATELITAL En los sistemas de comunicaciones el ingeniero en comunicaciones debe asegurar un nivel de calidad solicitado que fue solicitado por cliente mediante un calculo de enlace donde se consideren los requerimientos del cliente y todos aquellos factores que tengan influencia sobre la calidad del enlace satelital. La calidad del enlace puede expresarse de múltiples formas y diferentes. Una forma conveniente puede ser expresar la señal en una relación de señal portadora a densidad de potencia de ruido (C/No) o también a través de una relación de señal a ruido. El satisfacer efectivamente las necesidades del cliente requiere que el ingeniero de comunicaciones prepare un cálculo de potencia de enlace, comúnmente llamado calculo de enlace. En este cálculo de enlace satelital se toman en cuneta los dos segmentos, el satelital y el terrestre, considerando los parámetros de transmisión y recepción de las estaciones terrestres. De manera muy general, el enlace ascendente incluye la estación terrena transmisora y el receptor en el satelite. El enlace descendente incluye el transmisor del satelite y el receptor en la estación terrena. El objetivo de realizar un cálculo de enlace es ajustar los parámetros de la estación terrestre y del satelite para satisfacer los requerimientos de manera más económica.

El cálculo de enlace se inicia con el parámetro de la potencia de transmisión, que experimentará diversas etapas de amplificación y atenuación durante su trayectoria desde el transmisor hacia el receptor. Estas diferentes etapas de amplificación y atenuación son quienes determinan la potencia y calidad de la señal de recepción.

Algunos de los elementos importantes en el cálculo de un enlace satelital son: amplificadores de potencia, pérdidas de trasmisión, orbitas satelitales, bandas de radiofrecuencias utilizadas y temperaturas de ruido. Decibeles El decibel es una unidad que describe un radio. Los cálculos de enlace son calculados usando la escala logarítmica que es cuantificada y expresada en decibeles. Por lo tanto el número de decibeles = 10 Log10 (relación de potencia).

Para hacer cálculos de enlace es de mucha utilidad entender y saber utilizar ágilmente los decibeles para manejar los parámetros relacionados con los cálculos de enlaces.

Si decimos que el decibel es una relación, ejemplificaremos un poco en la siguiente red.

1 W 2 W

La potencia de entrada es de 1W y la potencia de salida es de 2 W, por

lo que es evidente que existe una amplificación a la salida con respecto a la entrada. La potencia esta en el dominio de la potencia. Para pasarlo a una relación expresada en decibeles (dB) se puede hacer lo siguiente:

dBLogentrada

salidaLogdBGanancia 0103.3)3013.0(10

1

21010)( ====

Esta es una relación de potencia básica a recordar cuando se habla de 3

dB de incremento significa que hubo una duplicación de potencia (multiplicación por 2). Y en el caso de que se hable de que hubo una reducción de 3 dB en el nivel de potencia significa que la potencia se disminuyo a la mitad de su potencia original (dividir entre 2). Veamos el caso en donde existen perdidas de potencia. En la red siguiente entra una potencia de 500 W y a la salida se tiene una potencia de 50 W.

dBLogentrada

salidaLogdBPerdida 10)1(10

500

501010)( !=!===

Otra conversión muy útil esta relacionada con 10dB. Cuando se dice que hay un incremento en la potencia de la señal en 10 dB significa que la señal original se incremento en un factor de 10 (multiplica la señal original por 10) y cuando hay una perdida de 10 dB (dividir la señal original entre 10). Con estas reglas sencillas podrá hacer las operaciones básicas que mínimamente debe saber todo ingeniero en comunicaciones. De manera general se puede decir lo siguiente

entrada

salida

P

PLogdBPotencia 10)( =

El utilizar dB hace más sencilla la vida de quienes se encuentran trabajando en el área de comunicaciones ya que se evitan las grandes cifras numéricas de las potencias convencionales y se sustituyen por valores más pequeños como son los dBs. Otra cosa que debe saber es que los decibeles se suman o se restan, nunca se multiplican o dividen.

500 W 50 W

Los cálculos de enlaces incluyen diversos elementos de red que amplifican o atenúan las señales como anteriormente se comento en el presente capitulo. Es por esta razón que se cree importante incluir una red a manera de ejemplo donde existan diversos elementos de red para que el lector se familiarice con algo de la terminología y de los métodos. En esta red se muestran 4 elementos con ganancias y pérdidas. Se observa que los parámetros están dados en dBs por lo que la señal de salida. Procediendo con la operación se tiene que la señal de entrada menos 10 dB, más 30 dB, menos 6 dB y menos 4 dB. Al realiza la suma total podrá notarse que se obtiene un factor de 10 dB por lo que la señal de salida será amplificada y tendrá 10 veces mayor potencia con respecto con la señal de entrada.

En el cuadro 1 y 2 se muestra un listado de decibeles utilizados como relaciones de potencia que puede ser de utilidad para el lector.

Relación Decibel Relación Decibel 0.01 0.05 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

-20.0 -13.0 -10.0 -7.0 -5.2 -4.0 -3.0 -2.2 -1.5 -1.0 -0.5 0.0

2 4 8 9 10 20 30 40 50 80 90 100

3.0 6.0 9.0 9.5 10 13 14.8 16.0 17.0 19.0 19.5 20.0

Cuadro 1 y Cuadro 2 . Niveles de decibeles y relaciones de perdidas y

ganancias.

Otra forma simple de convertirlo a un número muy aproximado es siguiendo el siguiente principio. Si una señal experimenta una ganancia que equivale a una señal 2500 veces más grande se puede hacer lo que sigue

Decibeles Perdidas Ganancias 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

0.8 0.63 0.5 0.4 0.32 0.25 0.2 0.16 0.125 0.1

1.25 1.6 2.0 2.5 3.2 4.0 5.0 6.3 8.0 10.0

-10 dB 30 dB -6 dB -4 dB

Señal de entrada

Señal de salida

Relacion de potencia aproximada

2500= 10 x 10 x 10 x 10 ÷2 ÷ 2

Ahora solo se toman los factores multiplicadores y por los factores aditivos de los dB que se mostraban anteriormente en los cuadros y se tiene que es aproximadamente igual a 8

2500= 10dB + 10 dB + 10 dB + 10 dB - 3 dB - 3 dB = 34 dB Existen unidades básicas derivadas de los dBs que se deben conocer y han de tratarse en este apartado. Estas unidades son el dBm y el dBW. Los dB son relaciones o unidades relativas y se incluyen también los dBm y los dBW. El dBm Se sabe que no se puede decir que la salida de un amplificador es cierto número de decibeles sino que experimenta una ganancia de cierto valor numérico de decibeles o que cierto dispositivo produce cierto nivel de perdidas. Pero al expresarlo de esta manera no sabemos a primera instancia cual es el nivel de potencia del que se esta hablando. Es por esta razón que surgen unidades derivadas del dB.

El dBm es el más ampliamente usado y se refiere al nivel de potencia referido a un 1mW por lo que 0dBm=1mW. La formula para realizar la conversión de potencia dada en miliwatts a una potencia en dBms es

mW

mWPotenciaLogdBmPotencia

1

)(10)( =

Ejemplo: Un amplificador de estado sólido tiene una potencia de salida

de 125 watts. ¿De cuanto es su salida en dBms?

dBmmW

mWxLog

mW

WLogdBmPotencia 969.80

1

1012510

1

12510)(

3

===

El dBw Se usa principalmente en las comunicaciones por microondas (satelitales y terrestres) y es una unidad de potencia en decibeles referida a 1 W.

W

WPotenciaLogdBWPotencia

1

)(10)( =

8 Weisman Carl (2002)

Lo que hay que recordar es

+30dBm = 0dBW -30 dBW = 0dBm

Al sumar dBm y dBWs debe tomar en cuenta que esto corresponde a multiplicar sus relaciones respectivas de potencia.. Véase el siguiente ejemplo.

Para obtener la respuesta a este ejemplo una forma de resolverlo es como sigue

( )

mW

mW

10010

100010

)10/20(

10/30

=

=

= 1100mW

dBmmW

mWLogdBmP 414.30

1

110010)( =!

"

#$%

&=

Amplificadores de potencia Los amplificadores de potencia tienen la función principal de aumentar la potencia de la señal para que esta pueda propagarse a través del espacio. Existen tres tipos principales de amplificadores de potencia: los amplificadores de estado sólido (SSPA), los amplificadores klystron y los amplificadores de tubos de ondas progresivas (TWTA). El uso de estos amplificadores depende de que segmento se trate. Por ejemplo, en el segmento terrestre se pueden utilizar TWTAs, SSPAs y Klystrons ya que existe mayor disponibilidad de energía eléctrica comparándolo con la poca disponibilidad de energía con que se cuenta en la nave espacial.

Por otro lado, en el segmento espacial se tienen ciertas dificultades con respecto a los amplificadores de potencia como son la poca disponibilidad de energía eléctrica y la disipación efectiva de calor. Los amplificadores utilizados en el segmento espacial, TWTAs y SSPAs, son de menor potencia. Los amplificadores de potencia disipan una gran cantidad de calor y que en el espacio esta tarea se vuelve más difícil motivo de la falta de aire. Las estaciones terrenas de calidad minimamente cuentan con un amplificador de alta potencia (HPA) en operación junto a otro HPA asociado de respaldo en caso de que el HPA operativo falle. La conmutación es posible a través de un circuito conmutador de entradas y salidas que consiste en un

Combinador

30 dBm ? dBms

20 dBm

arreglo redundante 1+1 conectado al combinador de la antena a través de guías de onda que lo interconectan con una configuración determinada de conmutadores de guías de onda. Los tubos de microondas utilizados principalmente en los amplificadores de las estaciones terrenas medianas y grandes son los TWTAs y los Klystrons, mientras que en las estaciones terrenas pequeñas son utilizados los amplificadores de estado sólido. Amplificadores de microondas de tubos de ondas progresivas – TWTA Un amplificador de este tipo se dice que es de banda amplia ya que amplifica en la banda completa del satelite utilizado (500 Mhz9) con una ganancia uniforme en toda la banda y con el mismo retardo de grupo. Es muy utilizado en estaciones terrestres con portadoras del tipo TDMA y por que permite, en las portadoras telefónicas, que múltiples portadoras sean transmitidas simultáneamente usando un mismo tubo independientemente en que frecuencia de la banda se encuentren dichas portadoras.

El problema que se presenta es que pueden generarse productos de intermodulación en este tipo de amplificadores al transmitir múltiples portadoras usando el mismo tubo. Los tubos cuentan con un parámetro que es dado por el fabricante que expresa el grado de linealidad que puede esperarse del tubo. Esta dificultad puede ser eliminada configurando la unidad amplificadora y realizando un ajuste en la cadena ascendente de las señales de comunicaciones que se tienen a la entrada del amplificador utilizando dispositivos de diagnostico como medidores de potencia y analizadores de espectro de radiofrecuencia. El inconveniente que esto produce es que actualmente no es posible aprovechar toda la potencia de un amplificador de este tipo al usar múltiples portadoras sin que se produzcan intermodulaciones. Actualmente los proveedores de este tipo de amplificadores han hecho algo para minimizarlo introduciendo linealizadores para los tubos de ondas progresivas para aumentar la eficiencia de las unidades amplificadoras. Los proveedores principales que construyen este tipo de amplificadores son MCL y CPI, quienes en la mayoría de sus amplificadores utilizan tubos de ondas progresivas manufacturados por NEC. Amplificadores klystron Los amplificadores klystron son esencialmente amplificadores por canales. Estos equipos cuentan con dispositivos pasabandas de 40, 45 y 85 Mhz para la banda C (aproximadamente el ancho de banda de un transpondedor de satelite) y de 80 y 85 Mhz para la banda Ku. Estos amplificadores operan mejor en las redes con portadoras moduladas en frecuencia del tipo FDMA pero se considera que pueden ser inadecuadas para portadoras moduladas en xFSK y con codificación digital del tipo TDMA. 9 Algunos sistemas amplifican un ancho de banda de señales mayor a este.

Amplificadores de potencia de estado sólido – SSPA Estos amplificadores son utilizados para estaciones terrenas de pocas portadoras y de baja capacidad relativa. Debido a los adelantos en los transistores de efecto de campo usando Galio Arsénico (GaAs) y los avances en la tecnología de circuitos, los amplificadores de estado sólido ya han alcanzado los 200W en la banda C y los 100W en la banda Ku.10 Antenas Para aumentar más la potencia de la señal de transmisión se usan antenas con reflector parabólico que permiten obtener una señal de mayor potencia a medida que aumenta el diámetro de la parábola de la antena. A este tipo de ganancia se le llama Ganancia direccional. Las antenas son dispositivos pasivos cuyo propósito es incrementar la potencia en una dirección dada y disminuirla en otras direcciones. Las antenas parabólicas son utilizadas ampliamente en las comunicaciones satelitales. La antena es un dispositivo reciproco por lo que las funciones de transmisión y recepción son reciprocas. La ganancia G en una antena parabólica es la relación de potencia transmitida en una dirección especifica con respecto a una antena con radiador isotrópico11. En el segmento terrestre las antenas terrenas generalmente cuentan con un solo alimentador mientras que en el segmento espacial cuentan con varios alimentadores para producir una huella determinada sobre la tierra12. La ganancia de un reflector parabólico es

)(4

2relación

AG

!

"#=

Donde A es el área física del reflector, η es la eficiencia de la antena (que es una fracción menor que 1) y λ es la longitud de onda. El rango típico de eficiencia de una antena es entre 0.4 y 0.8 mientras que un valor típico es 0.55. El área A es igual a πD2/4. El área efectiva13 Ae es igual a η • A.

10 Se tomo como referencia el libro “Handbook on satellite communications” de la ITU y fue actualizada la información con los productos que se encuentran actualmente en el mercado. 11 Es una antena ideal, y de referencia en los sistemas de comunicaciones de microondas, que transmite homogéneamente su potencia distribuyéndola en las tres dimensiones. Esta antena isotrópica tiene una ganancia de 1 (0 dB). Por esta razón frecuentemente la ganancia es expresada en dBi lo que significa una ganancia positiva o negativa esta referida a la ganancia del radiador isotrópico. La ganancia se puede referir a una antena de dipolo como dBd, pero esto no se hace en las comunicaciones satelitales. 12 En la actualidad se puede utilizar un solo alimentador para producir una huella específica mediante la deformación del reflector parabólico a donde radia el alimentador para transmitir la señal desde la nave espacial hacia la tierra.

La λ es igual a la velocidad de la luz c dividida entre la frecuencia ƒ. Por lo que la ganancia de antena se puede escribir como sigue

G = η(πDƒ/c)2 El resultado de la ecuación anterior se expresa como una relación. Para expresarla en decibeles, tomando el logaritmo en ambos lados y multiplicándolo por 10, la ganancia de antena se puede escribir como sigue

G = 20 log10D + 20 log10 ƒ + 10 log10 η + 20.4

Donde D es el diámetro de la antena en metros, y ƒ es la frecuencia en GHz. La eficiencia de la antena η se expresa en decimal, 0.55. La constante de 20.4 dB/m2 GHz2 es igual a 20 log10 (π/c). La velocidad de la luz es 0.299792458 m/ns. Las dimensiones de c no son usuales pero son apropiadas cuando ƒ esta dada en GHz y D en metros. Como se puede notar la ganancia de la antena aumenta cuando la frecuencia o/y el diámetro aumenta14. Por ejemplo, una antena de 7.6 metros operando en la banda Ku, tendrá mayor ganancia que una antena de 9.3 metros operando en la banda C. Figura de merito Es el parámetro más importante en el modo de recepción de una estación terrena y se entiende como la relación de dos parámetros como son la ganancia de la antena (a la frecuencia de recepción y apuntando en dirección al satelite) y la temperatura de ruido del sistema (que se refiere a la entrada del receptor) cuya relación recibe el nombre de figura de merito G/T. G/T es igual a GdB-10 log T. En el calculo de la figura de merito es importante mencionar cual es el plano de referencia es decir hasta que punto de la cadena descendente en el sistema de recepción se esta calculando y considerando aquellas influencias de los diversos elementos con el propósito de quien observe los resultados del calculo este seguro cuales fueron los elementos considerados. La temperatura del sistema Tsys=Tant+Tr; la temperatura de ruido de la antena, Tant, incluye todas las contribuciones de ruido como ruido cósmico y ruido por las perdidas hasta llegar al plano de referencia. El ruido del receptor, Tr, todas las contribuciones de ruido desde el plano de referencia a los sistemas de banda base a la salida del demodulador. En la mayoría de los sistemas comerciales se toma como plano de referencia la entrada del amplificador de bajo ruido, LNA, en la antena mientras que en los sistemas militares se toma en la base del pedestal de la antena.

13 Si la antena fuera perfecta y sin perdidas el área efectiva Ae sería igual al área total A. 14 Gordon and Morgan (1993).

Calculo de la temperatura de ruido de la antena Tant15

Se asume que el plano de referencia se encuentra a la entrada del LNA. Existen dos contribuciones principales de ruido: ruido del cielo y ruido de las perdidas ohmicas. El ruido cósmico esta formado las fuentes externas que entran a la antena a través del lóbulo principal y los lóbulos laterales. La fuente más poderosa de ruido es el sol y puede interrumpir la comunicación satelital cuando se coloca detrás del satelite y se encuentra apuntado por el haz principal del patrón de recepción de la estación terrena. El ruido de la antena es pues la contribución total de ruido al sistema de recepción desde la antena al plano de referencia.

a

cieloa

ant

l

TlT

+!=

290)1(

Donde la es la suma de las perdidas ohmicas del sistema (en decibeles). Por lo que la se debe expresar como

10log10

a

a

Ll =

Ejemplo. Asuma una estación terrena con una antena a un ángulo de elevación de 30˚, a cielo despejado, 7.5g/cm3 de concentración de vapor de agua y con las siguientes perdidas ohmicas: perdidas de guías de ondas 2.5 dB, perdidas por el alimentador de 0.1 dB, perdidas de inserción del acoplador direccional de 0.2 dB (2 elementos) y perdidas de inserción por el filtro pasabandas 0.5 dB. Todas estas perdidas se encuentran por arriba del plano de referencia que se considera la entrada del amplificador de bajo ruido LNA. La frecuencia de operación es 14 GHz. El ruido cósmico16 para un ángulo de elevación de 30˚ a una frecuencia de 14 GHz es de 11 K. La suma de las perdidas ohmicas sobre el plano de referencia es

La = 2.5dB + 0.1dB + (0.2 x 2)dB + 0.5dB = 3.5dB

la = log-1 !"

#$%

&

10

5.3

= 2.24 Se substituye en la ecuación 15 Freeman Roger (1991) 16 Freeman Roger (1991), pagina 377.

( )

KTant

44.16524.2

11290124.2=

+!=

Tant = 165.44K Calculo de temperatura de ruido del receptor Tr

El receptor comúnmente esta compuesto por varios dispositivos en cascada por lo que para el calculo de la temperatura de ruido efectiva del sistema receptor deberán de considerarse todos los elementos y se le llamara Tr, que es calculada con la formula para dispositivos en cascada tradicional.

12121

3

1

2

1

......

!

++++=n

n

rGGG

y

GG

y

G

yyT

en donde y es la temperatura efectiva de ruido de cada amplificador o dispositivo y G es la número equivalente a la ganancia o perdida del dispositivo.

Ejemplo. Calcule Tr para las primeras 3 etapas de un sistema receptor. La primera etapa es un LNA con una figura de ruido 1.3 dB y una ganancia de 40 dB. La segunda etapa es una línea de transmisión con perdidas de 2.3 dB. La tercera etapa es un amplificador con una ganancia ajustada a 10 dB y con una figura de ruido de 2dB. Convirtiendo las figuras de ruido de dB a sus temperaturas de ruido equivalentes tenemos

KT

T

KT

TdB

e

e

e

e

65.169

2901log102

21.101

2901log103.1

=

!"

#$%

&+=

=

!"

#$%

&+=

Calcule la temperatura de ruido de la guia de transmisión con perdidas determinando primero la:

7.1

10log 1

=

!"

#$%

&=

'

a

a

a

l

Ll

KT

T

e

e

203

290)17.1(

=

!=

Ahora se calculara Tr usando la formula en cascada tradicional

KT

T

r

r

26.101

7.1/110000

65.169

10000

20321.101

=

•++=

Como se puede notar en el tercer término no se usa ganancia sino la perdida de la segunda etapa donde 1.7 es equivalente a una perdida de 2.3dB. Ejemplo de cálculo de G/T. Un enlace satelital descendente opera a 12.75GHz. Calcule el G/T de una terminal operando en este satelite. El plano de referencia se considera a la entrada de LNA. La antena tiene una ganancia a la recepción de 58.3 dBi. Se tienen 10 metros de guia de onda WR75 con 13.5 dB por cada 100 metros. Hay una perdida del alimentador de 0.15dB, y el filtro pasabanda tiene una perdida por inserción de 0.4 dB. El LNA tiene una figura de ruido de 5dB y una ganancia de 40 dB. El LNA se conecta al convertidor descendente (mediante un heliax que se considerará ideal y no inserta perdidas en la línea de transmisión) para obtener una señal en frecuencia intermedia, FI, que tiene una figura de ruido de 13dB. Calculando la ganancia neta de la antena al plano de referencia se tiene

Gnet = 58.3 dB - 0.4dB – 1.35dB – 0.15dB Gnet = 56.4dB

Este será el valor de G en la relación G/T La temperatura de ruido cósmico a cielo despejado con una elevación de 10˚, según especificaciones de una antena real a una temperatura ambiente de 20˚ C, es de 55 K. Ahora se calculará LA, la suma de las perdidas al plano de referencia.

LA = 1.35dB + 0.15dB + 0.4dB = 1.9dB

Determinamos la, equivalente a LA

la = log-1 !"

#$%

&

10

9.1

la = 1.55

Calcular Tant

( )KT

ant38.138

55.1

55290155.1=

+!=

Ahora calcule Tr, primero se ha de convertir las figuras de ruido a las temperaturas de ruidos equivalentes. El LNA tiene una figura de ruido de 5dB, que es equivalente a una temperatura de ruido de 627K, el convertidor descendente tiene una figura de ruido de 13dB que es equivalente a una temperatura de ruido de 5496K.

KT

T

r

r

55.627

10000

5496627

=

+=

Determine la temperatura del sistema, Tsys ,

Tsys = 138.38 + 627.55 Tsys = 765.9296 K

Por lo tanto G/T será igual a

KdBiT

G

dBT

G

/52.53

)9296.765log(104.56

=

!=

Los parámetros que tienen una influencia significativa en la relación de G/T son los que se listan a continuación:

La ganancia de antena y la temperatura de ruido de la antena El ángulo de elevación de la antena. Conforme es menor el ángulo

mayor será el ruido cósmico, por lo tanto, el ruido de la antena y menor la relación G/T para una ganancia de antena dada.

Las pérdidas por inserción de las guías de onda y del alimentador. A menores pérdidas de inserción, mayor es la relación de G/T.

LNA, a medida que es menor la temperatura de ruido del LNA, es mayor la relación de G/T. A medida que aumenta la ganancia del LNA,

es menor la contribución de la temperatura de ruido a la relación de G/T.

Ajuste de antenas Patrones de radiación Las propiedades de ganancia direccional de las antenas de reflector parabólico pueden ser representadas mediante su patrón de radiación. El ancho del has principal se mide 3 dB debajo de la potencia máxima del has central. Véase la figura x.

Figura 3.- Patrón de radiación de antena Gregoriana imagen PatronDeRadiación.eps

La mayor parte de la potencia radiada por la antena se encuentra en el lóbulo o has principal mostrado en el patrón de radiación. La potencia residual se radia en los lóbulos laterales que se encuentran a los lados del lóbulo principal. Los lóbulos laterales son propiedades intrínsecas del patrón de radiación de una antena que si bien no pueden eliminarse totalmente es suficiente, para fines prácticos y de acuerdo a estándar, que estén por debajo de la envolvente caracterizada por 29-25 Log θ para evitar de esta manera que la antena transmisora genere interferencias con los satélites vecinos al satelite operativo situados en la orbita geosincrona. Existen diferentes tipos de antenas. Sin embargo nos enfocaremos en las más comúnmente utilizadas que son las antenas cassegrain, gregorianas, utilizadas ampliamente para antenas de alta capacidad con múltiples portadoras y la tipo offset que son utilizadas para sistemas de baja capacidad. Antenas Cassegrain Esta antena surge de la antena parabólica convencional de un solo reflector parabólico. La antena cassegrain usa un radiador colocado en el centro de la

29-25 log θ (dBi)

-3 dB

parábola y un subreflector enfrente de este lo que la vuelve una antena con un sistema de doble reflector. El sistema de doble reflector esta constituido por un reflector principal, que normalmente es un paraboloide, y un reflector secundario que es también llamado subreflector, que es llamado hiperboloide. De esta manera es posible contar con el sistema de alimentador completo por detrás de la antena como son el combinador, uniones, acopladores y polarizadores lo cual facilita el acceso a dichos dispositivos. Otra ventaja es que se puede aumentar la eficiencia de la antena cambiando la forma del subreflector para mejorar la distribución de la energía que es reflejada hacia el reflector principal. El desempeño de las antenas cassegrain puede disminuir por el bloqueo parcial o la dispersión causada por el subreflector y por sus soportes de dos maneras principalmente17:

1. Perdida de eficiencia Esta perdida puede disminuirse en unas décimas de decibeles si el subreflector no es más grande que aproximadamente 1/10 parte del reflector principal. El efecto de bloqueo se puede disminuir mediante la técnica de formación (shaping technique) la cual permite una reducción de la energía dirigida desde el subreflector a la parte central del reflector principal. Los soportes de metal del subreflector también tienen efecto de bloqueo, pero el bloqueo es menor que el ocasionado por el subreflector.

2. Efectos en los lóbulos laterales La radiación directa del alimentador primario fuera del diámetro del sub-reflector incrementa los lóbulos laterales de la antena por lo que debe mantenerse lo más pequeña posible. La difracción en el borde del subreflector puede estar combinada con la radiación fuera del diámetro del subreflector. La energía radiada desde el reflector principal, onda plana, y desde el subreflector, onda esférica, es dispersada por los soportes del subreflector y esto afecta en cierta medida los lóbulos laterales.

Antena gregoriana Este tipo de antenas también cuenta con un reflector principal y un subreflector. La diferencia que tienen con la antena cassegrain es que estas antenas usan un subreflector cóncavo y no uno convexo como en la antena cassegrain. Para una superficie cóncava los puntos de reflexión en el subreflector están más espaciados del alimentador. El alimentador y el borde del subreflector son sometidos a menos radiación y por lo tanto se causa menos interferencia. El uso de las antenas gregorianas cuenta con las

17 International Telecommunications Union, (2002).

ventajas de tener buenas características con el subreflector y un comportamiento favorable de los lóbulos laterales.

imagen gregoriana.eps Antena offset (foco desplazado) La mayoría de los sistemas reflectores de antenas, ya sean parabólicos con alimentación enfrente de la parábola o de los tipos gregorianos o cassegrain. La antenas tipo offset se usan cuando se requiere de un desempeño superior; esto es por que las antenas tipo offset no sufren de los efectos de bloqueo. En la figura siguiente se muestra una antena del tipo offset con la electrónica y dispositivos de comunicaciones incluidos.

OMTGuía de

Onda

ODU-Radio

Coax

LNA o LNB

Cable coaxial

(IFL)

Imagen x. Antena Offset Imagen antennaoffset.eps

Elevación

El ángulo de elevación de una estación terrena satelital es el ángulo medido desde la horizontal al punto del centro del haz principal de la antena cuando la antena esta apuntando directamente al satelite. Azimuth Es la dirección hacia el satelite medida en el plano horizontal desde el norte geográfico en dirección de las manecillas del reloj (iniciando hacia el este).

Imagen [Azimut.eps]

Polarización de señales La polarización de una onda electromagnética esta definida por la orientación del vector eléctrico de la onda. Este vector es perpendicular, en la polarización lineal, al vector de propagación que varia en dirección e intensidad durante su trayectoria. La polarización de una señal electromagnética nos permite hacer una reutilización del espectro. La discriminación de polarización para señales transmitidas en la polarización lineal es tan importante para las comunicaciones de microondas satelitales como lo es para las comunicaciones de radio de microondas terrestres. Existen dos formas de polarizar las señales electromagnéticas de comunicaciones que son en forma lineal o circular. En la polarización lineal se cuenta con la polarización vertical y con la polarización horizontal y se requiere hacer un ajuste con una segunda antena para eliminar la polarización no deseada en la polaridad cruzada con respecto a la polaridad operativa para no interferir a señales de otros usuarios. La polarización circular es utilizada proporcionando un mejor desempeño en los enlaces satelitales. La onda polarizada circularmente se genera mediante la combinación de dos ondas polarizadas linealmente con un ángulo de 90˚ entre ellas. Si el campo eléctrico de la onda gira en sentido de las manecillas del reloj se dice que esta polarizado RHCP (right-hand circularly polarized) y si rota en sentido contrario a las manecillas del reloj se dice que esta polarizado LHCP (left-hand circularly polarized). La tasa de rotación es igual a la frecuencia de la portadora. La ventaja de la polarización circular es que no es necesario ajustar el alimentador de la antena a la recepción para recibir señales polarizadas en RHCP o en LHCP pero complica el diseño del alimentador, el cual debe separar las dos señales antes de que sean procesadas.18 Perdidas de transmisión 18 Winch Robert (1998), paginas 273-276.

La mayor perdida de transmisión se encuentra en la propagación de la señal de la tierra al satelite y viceversa. En un cálculo de enlace ésta atenuación debida a la distancia se le llama perdida por espacio libre, L y esta basada en la distancia S a una longitud de onda λ. La perdida por espacio libre se puede calcular como sigue19:

( )2

2

4

!

"SL =

La perdida por espacio libre comúnmente se expresa en decibeles. Mediante la ecuación mostrada anteriormente se obtiene un número absoluto. La distancia se mide en kilómetros y la longitud de onda esta expresada en metros. Existen otro tipo de pérdidas que son relativamente menores. Las perdidas atmosféricas son pequeñas pero significativas y se vuelven más representativas con el incremento en la frecuencia y con la precipitación en el aire especialmente cuando se presentan tormentas tropicales. Las perdidas en potencia debido a errores en el apuntamiento de la antena se incluyen como perdidas por transmisión. Para realizar los cálculos de las perdidas por el espacio libre primero hay que conocer primeramente la distancia S de la estación terrena al satelite que dependerá del ángulo de elevación de la antena de la estación terrestre y se calcula como sigue

)))cos)/((()(2( 122ERRsenEsenRRRRS

eee

!+!+=

Donde R es la distancia promedio del centro de la tierra hacia el satelite, 42164.2 kilometros, Re es el radio promedio de la tierra, 6378.155 kilometros y E es el ángulo de elevación. Si se considera un ángulo de elevación de 56.017˚ y sustituyendo los parámetros en la ecuación anterior se tiene que la distancia es S entre la estación terrestre y el satelite es de 36,723.6 kilómetros. Para calcular las perdidas en el espacio libre se puede utilizar la siguiente ecuación

)/)4log((20 cSfLdB ••= ! Siendo f la frecuencia en Hz, S la distancia entre la estación terrestre y el satelite expresada en metros y c la velocidad de la luz (3x108m/s).

19 Gordon Gary (1993), “Principles of communication satellites” ; pg 11.

Sustituyendo los valores en la ecuación queda que las perdidas para un enlace ascendente operando a 14 GHz es igual a

dBL

smxmHzxL

asc

asc

66.206

)/103/)3672362810144log((20 89

=

••= !

Potencia isotrópica radiada efectiva - PIRE Se ha hablado anteriormente sobre las cualidades de las antenas parabólicas para concentrar la energía electromagnética de radiofrecuencia hacia el receptor. La PIRE se obtiene multiplicando la potencia de transmisión (la potencia del amplificador menos todas las perdidas hasta el radiador de la antena) con la ganancia de antena.

PIRE=PtxGant

La ecuación anterior da como resultado la potencia isotrópica radiada efectiva expresada en watts. La ecuación también puede expresarse en términos de decibeles

PIRE=10logPtx + Gant

La potencia es en watts y la ganancia es en dB por lo que la PIRE esta dada en dBW. Ejemplo. Se tiene una estación transmitiendo una potencia hacia la antena igual a 1 watt y la antena tiene una ganancia de 53 dBi. ¿De cuanto es la PIRE?. Sustituyendo

PIRE=10log (1 w) + 53 dBi = 53 dBW

Esta cifra convertida a watts seria aproximadamente igual a .22 megawatts cuando se considera la ganancia direccional de la antena. Relación portadora a densidad de ruido ascendente Un criterio de desempeño de enlace es la relación entre la potencia de la portadora y el ruido que se calcula como se indica en la siguiente ecuación.

(C/No)asc = PIREE/T + (G/T)sat – k –Lasc – µasc –Lvasc

Donde PIREE/T es la potencia isotrópica efectiva radiada desde la estación terrena, (G/T)asc es característica del satelite20, k es la constante de boltzmann (-228.6 dBJ/˚ K), Lasc son las perdidas por el espacio libre ascendente, µasc es el margen de atenuación por lluvia y Lv son varios tipo de perdidas menores donde se incluyen perdidas atmosféricas, apuntamiento y polarización cuyo valor es aproximado a 1.1 dB. La C/No ascendente quedara como sigue:

(C/No)asc= 53 + 8 - (-288.6) - (206.66) - 1 - 1.1 (C/No)asc = 140.84 dB-Hz Relación portadora a ruido ascendente Se utilizara la relación (C/No)asc cuando se tiene una potencia de transmisión de 1 W. En el cálculo de la relación de portadora a ruido (C/N)asc deberá de considerarse el ancho de banda ocupado por la señal y se expresará en dB.

(C/N)asc=(C/No)asc – 10 Log (AB)

Donde AB es el ancho de banda ocupado por la señal de comunicación en el espectro de radiofrecuencia considerando una técnica de modulación dada, compresión y FEC que se considerará igual a 80 kHz. El cálculo de la relación portadora a ruido ascendente se presenta enseguida

(C/N)asc= 140.84 -10 Log (80x103) (C/N)asc= 91.81 dB Estos cálculos permiten conocer la relación portadora a ruido del enlace ascendente de una manera general. Se podrían incluir otro tipo de ruidos en el enlace que tienen que ver con los ruidos generados por intermodulación en el transponder, por la polarización cruzada y por los satélites adyacentes al satelite operativo. Relación portadora a densidad de ruido descendente Enseguida se muestran los cálculos para el enlace descendente que constituye la calidad del enlace en la comunicación entre el satelite y la E/Treceptora, tomando en cuenta las diferentes interferencias que degradan el comportamiento del enlace descendente. Se debe evaluar la relación C/Ndesc que es la relación de la portadora con respecto del ruido propio del equipo receptor de la estación terrena receptora donde se debe considerar la potencia de transmisión del satelite, conocida 20 Para Satelite Solidaridad II en la Ciudad de Monterrey es de 8 dBK

como PIRE de satelite, las perdidas por dispersión, la absorción de energía por parte de la atmósfera, la perdida por apuntamiento, la diferencia en alineación de las polaridades del satelite y la estación terrena, la atenuación por lluvia, características de ruido y de ganancia de la estación terrena receptora.

(C/No)desc=PIREsat + (G/T)E/T – k – Lpdesc– µdesc –Lvdesc

Donde PIREsat es la potencia isotrópica efectiva radiada del satelite, (G/T)E/T es característica de la estación terrena receptora, k es la constante de boltzmann (-228.6 dBJ/˚ K), Ldesc son las perdidas por el espacio libre en el enlace descendente, µdesc es el margen de atenuación por lluvia descendente y Lvdesc son varios tipos de perdidas menores donde se incluyen perdidas atmosféricas, apuntamiento y polarización cuyo valor es aproximado a 1.1 dB. Se considerará un margen de atenuación por lluvia en el enlace descendente igual a 0 dB21. Se puede calcular la pire del satelite para una localidad específica pero para ello se requieren conocer ciertos parámetros específicos de los transpondedores utilizados del satelite para el enlace de comunicación. Entre los parámetros que se requieren esta la densidad de flujo de saturación hacia la localidad donde se encuentra la estación terrena, back-off de entrada y back-off de salida, por mencionar algunos. Se considerara que la PIRE del satelite a la potencia de transmisión dada es de 28 dBW. Las perdidas por el espacio libre del enlace descendente se calculan como sigue:

Ldesc=20 Log ((4π (12x109)(36723628)/(3x108) Ldesc=205.324 dB Es necesario calcular también la figura de merito de la estación terrena considerando los parámetros obtenidos anteriormente (Tsys=765.92K), suponiendo una GRx=50 dBi

(G/T)=GRx-10Log (Tsys) (G/T)= 50 -10Log (765.92) (G/T)= 21.158 dB K Sustituimos para obtener la relación portadora a densidad de ruido descendente (C/No)desc :

(C/No)desc= 28 + 21.158- (-228.6)-(205.324)-0-1.1 21 Por la zona geográfica en la que se encuentra Nuevo León y considerando que se utilice la banda Ku con el satelite Solidaridad II.

(C/N0)desc= 71.334 dB-Hz Relación portadora a ruido descendente donde se considera el ancho de banda ocupado por la señal

(C/N)desc= (C/No)desc-10Log (AB)

Sustituyendo queda como sigue (C/N)desc= 71.334 – 10 Log (80x103) (C/N)desc= 22.3 dB

Con esta información, y con algunos parámetros más detallados acerca de algunos parámetros técnicos de los transpondedores del satelite se podrán hacer los calculo necesarios para realizar una evaluación de enlace satelital. Relación portadora a ruido descendente

Orbitas satelitales Para el cálculo del enlace satelital es de importancia también conocer la distancia entre la estación terrena y el satelite. En este capitulo nos enfocaremos a los satélites geoestacionarios cuya distancia a la superficie de la tierra se encuentra entre 35,786 y 41,680 kilometros. La potencia de la señal varía inversamente proporcional al cuadrado de la distancia. A medida que aumenta la distancia entre el satelite y la estación terrena también se incrementa el retardo de la señal. Los cambios en la distancia pueden producir cambios de frecuencia, debido al efecto doppler. Aunque en teoría el satelite se encuentra estacionario con respecto a la tierra este tiene oscilaciones diariamente por lo que debe ser controlado desde tierra para que se mantenga en la ranura de espacio que le fue asignado en el arco geoestacionario. Si hacemos un calculo sencillo para ver cuanto espacio disponible se tiene sobre la orbita geoestacionaria, tenemos una circunferencia de aproximadamente 265,000 kilómetros que dividiéndola por los 360° en un circulo, encontramos que cada grado en la orbita geosincrona representa aproximadamente 740 kilómetros.

El desempeño de los enlaces satelitales que operan en orbitas geosincronas se ven afectados por el ángulo de elevación requerido para alcanzar el satelite de interés. El ángulo de elevación es el que se forma entre la señal de radiofrecuencia transmitida y el plano horizontal. A medida que el ángulo se hace más pequeño la señal deberá viajar una distancia mayor a través de la atmósfera por lo que se causan mayores perdidas atmosféricas. Bandas de frecuencia disponibles para satélites

Al hablar de comunicación vía satelite, siempre se hace referencia a pares de frecuencia, por ejemplo, si se hace referencia a la banda de frecuencia 6/4 GHz, la frecuencia más alta será la utilizada para el enlace ascendente ó será la banda de frecuencia utilizada por las estaciones terrestres para que transmitan al satelite, mientras que la de frecuencia más baja será usada en el enlace descendente o será la banda de frecuencias para transmitir hacia las estaciones terrestres desde el satelite. La frecuencia del enlace de comunicación ascendente es siempre es la más alta ya que a medida que aumenta la frecuencia la señal sufre mayor atenuación por lo que se requiere hacer una compensación mayor de potencia para asegurar que la señal sea recibida por el satelite con un nivel aceptable. Es obvio que se puede disponer de mayor potencia en el segmento terrestres qué en el segmento satelital.

En las estaciones terrestres se pueden utilizar amplificadores de alta potencia y también antenas parabólicas de grandes diámetros. Por otro lado, el satelite no cuenta con las ventajas de las estaciones terrestres y dispone de la energía solar como su principal fuente de energía que es almacenada en bancos de baterías. Al utilizar una frecuencia de transmisión menor en el enlace descendente se aprovecha la ventaja de que dicha señal sufre una atenuación menor con respecto a una frecuencia mayor utilizada en el enlace ascendente.

En la actualidad los sistemas de comunicaciones requieren grandes capacidades de ancho de banda y la comunicación satelital no es una excepción. Las aplicaciones vía satelite requieren de grandes capacidades en canal y por lo que las frecuencias seleccionadas deben de ser altas y comúnmente se encuentran ubicadas en la banda SHF. El cuadro 1 se muestra un listado de las bandas de frecuencias comúnmente usadas en la comunicación por satelite. Cuadro 3. Resumen de bandas de frecuencia usadas en satelite

Banda de frecuencia genérica

Banda de frecuencia especifica

Enlace Uso

6/4 GHz (Banda C)

5925-6425 MHz 3700-4200 MHz

5725-6275 MHz 3400-3900 MHz

Ascendente Descendente

Comercial

8/7 GHz (Banda X)

7900-8400 MHz 7250-7750 MHz

Ascendente Descendente

Militar

14/11 GHz (Banda Ku)

14.0-14.5 GHz 11.7-12.2 GHz

Ascendente Descendente

Comercial

13/11 GHz (Banda Ku)

12.75-13.25 GHz 10.7-10.95 GHz

Ascendente Descendente

Comercial

14/12 GHz (Banda Ku)

14-14.5 y 14-14.25 GHz 11.7-12.2 y 12.5-12.75

GHz

Ascendente Descendente

Comercial

18/12 GHz 17.3-18.1 GHz Bandas BSS22

Comercial

30/20 GHz (Banda Ka)

27.5-30.5 GHz 17.7-20.2 GHz

Ascendente Descendente

Comercial

30/20 GHz (Banda Ka)

30.0-31.0 GHz 20.2-21.2 GHz

Ascendente Descendente

Militar

44/20 GHz 43.5-45.5 GHz 20.2-21.2 GHz

Ascendente Descendente

Militar

Protocolos de acceso múltiple para comunicaciones satelitales Al principio de la historia de las telecomunicaciones el interés principal estaba enfocado en la telefonía mediante arquitecturas de comunicaciones enfocadas a canales punto a punto que eran conectados mediante conmutadores jerárquicos, centrales telefónicas, para proveer de comunicación a un gran número de usuarios utilizando conmutación basada en circuitos. En las últimas décadas, y más fuertemente con el surgimiento de Internet, ha aumentado el interés por desarrollar arquitecturas que soporten tráfico de datos y tráfico digital.23 La comunicación satelital utiliza espectro radioeléctrico lo cual lleva contar con recursos limitados de ancho de banda y potencia del satélite, por esta razón es importante encontrar mecanismos para la optimización de los recursos de comunicaciones escasos. Una alternativa es mediante canales compartidos a través de técnicas de acceso múltiple al canal. El protocolo ALOHA es un algoritmo que permite a múltiples usuarios accesar aleatoriamente a un canal. Las técnicas de acceso compartido satelital pueden ser clasificadas en tres tipos de acuerdo al tipo de mensaje de acceso24:

1. Asignación Fija 2. Competida (acceso aleatorio)

22 Siglas del termino técnico en idioma ingles, Broadcasting satellite service 23 Hayes y Sherman (1972) 24 Raychaudhuri y Joseph, (1988)

3. Reservación (acceso controlado) Antes de entrar en detalles, se deben aclarar algunos puntos. Se ha hablado de acceso aleatorio y acceso múltiple, por lo que es importante mencionar a qué se refieren esos términos. Para ello, primero se revisa el concepto de acceso múltiple. Se le llama técnica de acceso múltiple a cualquier técnica que permite que dos o más usuarios que envían información usen un sólo canal de comunicación. Estas técnicas pueden clasificarse en diferentes tipos25

1. Por división de canal 2. Por ocupación de canal

Los esquemas de acceso múltiple más conocidos para división de canal son, TDMA (time division múltiple access), FDMA (frecuency division múltiple access) y CDMA (code division múltiple access) que dividen un canal en múltiples canales más pequeños. Esta división puede ser fija o puede ajustarse de tiempo en tiempo para adaptarse a las necesidades del tráfico de quienes envían la información al canal y recibe el nombre de asignación por demanda. En las técnicas de ocupación de canal, un transmisor de información puede usar el recurso completo de tiempo y frecuencia del canal para si mismo durante un tiempo determinado26 Las redes de acceso múltiple, obedecen a un modelo de red que cuenta con las características siguientes:

1. La red esta compuesta de usuarios independientes que tratan de comunicarse con un único canal común o quizás con múltiples canales en donde el número de canales es mucho menor que el número de transmisores posibles.

2. Los datos de cada uno de los usuarios a la red son intermitentes o ráfagas de tráfico de datos, que significa que las transmisiones de un usuario están separadas por periodos de silencio que son comúnmente mayores a los periodos de transmisión.

3. El número de usuarios activos en la red a cualquier instante de tiempo es una variable aleatoria, comúnmente no conocida por el receptor.

25 Massey, 1988) 26 Massey,(1988)

Una técnica de acceso aleatorio puede ser definida como un esquema de acceso múltiple del tipo de ocupación de canal en el que pueden intentar accesar simultáneamente a un canal de comunicación dos o más transmisores de información y que provee, en alguna manera, una recuperación en caso de que existan colisiones entre las estaciones transmisoras. En las técnicas de acceso aleatorio el transmisor de información toma su riesgo y transmite, en caso de éxito lo continúa haciendo y en caso de fracaso lo trata nuevamente después de un tiempo determinado. Es claro que el propósito principal de un acceso aleatorio es reducir el retardo entre el tiempo que el transmisor obtiene la entrada de información y el tiempo en que transmite esta información exitosamente en el canal, en lugar de asegurar un alto throughput. De este principio de funcionamiento surgen dos preguntas, ¿porqué alguien estaría dispuesto a sacrificar la integridad de su información al presentarse colisiones en los canales de acceso? y ésta puede ser contestada mediante otra pregunta ¿Por qué alguien tiene que obligar a que el transmisor siempre espere por una garantía de acceso antes de que ocupe el canal? y es entonces cuando surge un termino denominado niveles de tráfico. Cuando el tráfico en un canal es ligero, el transmisor puede estar casi seguro de que tendrá éxito al tratar de ocupar el canal y de esta manera evitar el retardo en tiempo que soportaría si quisiera una garantía de acceso.

Al escribir el presente apartado es bien conocido por quienes se encuentran en el ramo de las telecomunicaciones la gran importancia del acceso compartido en los recursos de red. Primordialmente, la buena administración del espectro en las comunicaciones satelitales es considerado de importancia crítica por lo que los proveedores lideres de tecnologías VSATs están innovando constantemente para obtener el máximo de los canales de información con los que disponen buscando el desarrollo de las redes de datos VSAT para múltiples aplicaciones. La tecnología de telecomunicaciones y cómputo se encuentra en una fase de convergencia; ya no se habla de estos como algo separado sino como algo integrado. La convergencia de telecomunicaciones y computación se encuentra en la capa tres del muy conocido Modelo OSI y es la capa de IP. Los sistemas de comunicaciones tienden a transmitir grandes cantidades de tráfico IP y la tendencia de Internet es hacia el crecimiento por lo que los carriers de telecomunicaciones están realizando planes de migración hacia arquitecturas de redes para transporte de ráfagas de datos. Los proveedores de sistemas satelitales VSAT lo han notado también por lo que han desarrollado las plataformas tecnológicas de sus productos en base a IP. El tráfico de IP es aleatorio, son ráfagas de datos variantes con el tiempo e independientes. Los asuntos claves que deben considerarse en la selección de un protocolo de canal compartido para un escenario de VSAT son27: 27 Raychaudhuri y Joseph, (1988)

1. Las características del retardo, en términos de promedio y máximo. 2. La eficiencia del canal compartido (throughput –fracción de tiempo

útil de tráfico que viaja sobre un canal compartido) 3. Propiedades de estabilidad, relacionados con la posibilidad de modos

de congestión no deseados. 4. Robustez en la presencia de errores de canal y fallas de equipos. 5. Aspectos operacionales como recuperación a inicio. 6. Implementación costo/complejidad.

Ahora el enfoque es hacia las principales alternativas consideradas en la implementación comercial de redes VSAT para aplicaciones de datos interactivas. Una VSAT típica genera mensajes cortos a una tasa relativamente baja, pero comúnmente requiere contestación rápida de la estación maestra. De acuerdo al desarrollo de los protocolos de acceso múltiple para aplicaciones interactivas, estos se han enfocado alrededor de acceso aleatorio del tipo ALOHA y asignaciones por demanda (DAMA-Demand Asigned múltiple Access)28.

De una revisión de información pública de los productos desarrollados por los proveedores líderes de estaciones remotas VSATs, los principales protocolos y técnicas de acceso múltiple al canal son: 1) ALOHA, 2) ALOHA Ranurado, 3) ALOHA de Rechazo selectivo, 4) Asignación por demanda TDMA/FDMA con reservaciones de acceso de ALOHA ranurado. En las redes satelitales de transmisión de datos VSAT es una práctica común tomar el ancho de banda de frecuencia y seccionarlo en, por lo menos, dos partes en donde un segmento de ancho de banda se asigna para las portadoras o una portadora principal desde el Hub hacia las estaciones remotas VSAT, comúnmente llamada Outbound y en otro segmento de ancho de banda se encuentran las portadoras de los remotos denominadas Inbounds. El ancho de banda de los Inbounds en ocasiones se divide aun más, seccionándolo en los de los accesos principales: aleatorio y dedicado (Figura 4.1) para propósitos de administración de espectro.

28 Raychaudhuri y Joseph, (1988)

Ancho de banda para acceso aleatorio Ancho de banda para acceso dedicado

Outbound Inbound

Figura 7 Plan de Frecuencia distribuido Imagen PlnaDeFrecuenciaDistribuido.eps

Si se considera una arquitectura de acceso al canal en donde se incluyan diversos protocolos, como lo están haciendo los proveedores en la actualidad, hay que analizar cuales podrían ser “compatibles” entre sí para que se complementen unos con otros buscando obtener lo mejor de ellos a través de un protocolo compuesto con el cual se obtendría un grupo de protocolos más poderoso para soportar diversas aplicaciones en una plataforma tecnológica IP. Enseguida se hablara más a detalles de estos protocolos y sus características.

ALOHA puro Esta es la técnica más simple de competencia por canal y la cual ha tenido diversas modificaciones para mejorarse. En el acceso múltiple ALOHA se requiere que el ancho de banda del canal sea mayor que el ancho de banda de información que corresponde a una tasa de datos promedio transmitida por un usuario promedio. Debido a que el ancho de banda es alto comparado a la tasa promedio de transmisión de un simple usuario, el ciclo de utilización de los usuarios es bajo y la probabilidad de que se impacten dos paquetes también es baja, pero a medida el número de usuarios aumenta, el número de paquetes que se colapsan se incrementa y la probabilidad de que un paquete se pierda debido a una colisión se incrementa. El acceso aleatorio es simple de implementar y se adapta a la demanda pero a medida que aumenta el tráfico y alcanza cierto nivel de tráfico puede ocasionar aparente pérdida de capacidad debido al fenómeno de colisiones. ALOHA permite transmitir los datos desde el momento que se genera en las estaciones remotas siguiendo una hipótesis de equilibrio en la que se considera que los paquetes que entran al sistema y salen del sistema tienen la misma tasa y esto opera así mientras se mantenga este principio y no existan colisiones y por consiguiente, no sean necesarias las retransmisiones. Las retransmisiones surgen después de un tiempo determinado de que algún paquete ha colisionado y hace que se vuelva inestable el protocolo. En este protocolo, cuando colisiona un paquete, parcial o totalmente, se desechan ambos paquetes (el que intercepta y el

interceptado) disminuyendo considerablemente el throughput del canal. Se dice que un paquete se recibe adecuadamente cuando se recibe un reconocimiento (ACK-Acknowledge) que toma aproximadamente dos saltos satelitales (1 salto es aproximadamente igual a 0.25 segundos) generando un total de tiempo de 0.5-0.6 segundos para que ocurra una retransmisión de paquete en caso de que asi se requiera. La virtud de ALOHA puro es su simplicidad mientras que su punto débil es su inestabilidad29.

Debido al bajo desempeño relativo de ALOHA puro se ha buscado mejorarlo para aplicaciones más exigentes de tráfico y número de usuarios. Cabe señalar que el protocolo ALOHA puro es completamente asíncrono. En ALOHA puro cada usuario transmite el paquete cuando este listo sin intentar coordinar su transmisión con la de otros usuarios en base a una unidad de tiempo determinado. ALOHA permite portar un número de paquetes de tamaño homogéneo, pero también una de sus principales aplicaciones son mensajes de longitud variable en donde no se requiere de sincronización. Al transportar paquetes de diferentes tamaños existe un compromiso en el desempeño del protocolo. El compromiso es que existe mayor probabilidad de colisión y el throughput del canal puede disminuir significativamente por lo que es mucho más recomendable tomar los paquetes grandes y dividirlos en paquetes más pequeños30. ALOHA puro puede ir desde 0.13 a 0.18 y este desempeño depende principalmente de la distribución de longitud de mensajes. Otro de los protocolos que se mencionaran es el ALOHA de rechazo selectivo.

ALOHA de rechazo selectivo Surge como al solución a los problemas de ALOHA causados por las colisiones, parciales o totales, de paquetes. En este protocolo, ALOHA de rechazo selectivo, que también es un protocolo asíncrono, se mejora el throughput con respecto a ALOHA puro siguiendo dos principios básicos. El primero es la subpaquetización de los mensajes y el segundo es una estrategia de retransmisión ARQ -automatic repeat request- de rechazo selectivo. En ALOHA de rechazo selectivo los mensajes son encapsulados en en secuencias continuas de subpaquetes de longitudes fijas que son detectables independientemente con sus encabezados y preámbulos de adquisición. El propósito del protocolo ALOHA de rechazo selectivo es aprovechar que en ALOHA puro la mayoría de los paquetes colisionan parcialmente por lo que este sólo retransmite aquellos subpaquetes que tuvieron colisión. En la práctica sólo alcanza throughputs entre 0.2 y 0.3, debido al preámbulo de adquisición y a los encabezados de los subpaquetes.

En este protocolo el retardo de transmisión inicial es bajo, la estabilidad es moderada, es altamente robusto y la complejidad-costo de la 29 Abramson Norman, (1990), Massey (1988) y Abramson Norman (1977). 30 Abramson Norman, (1977)

VSAT es baja. Compite con ALOHA ranurado en capacidad y complejidad debido a su falta de sincronización y es bueno para mensajes de longitud variable que son muy comunes en las aplicaciones VSAT.31

Otra modificación de ALOHA puro es el ALOHA sincrono. ALOHA sincrono permite tomar los paquetes de datos y los distribuye en el tiempo usando una longitud fija de mensaje a través de la sincronización de las transmisiones para ocupar ranuras de tiempo- time slots- en el canal. De esta manera se incrementa la capacidad de transmisión del canal ya que cuando un usuario tiene un paquete a transmitir se sincroniza el inicio de la transmisión con el inicio de la ranura de tiempo-slot. Este protocolo recibe el nombre de ALOHA ranurado.

ALOHA ranurado En este protocolo se dice que el throughput es teóricamente el doble debido a que al utilizar sincronía los paquetes sólo pueden interceptarse completamente y no parcialmente como en ALOHA puro. De esta forma se disminuyen las probabilidades de colisiones entre paquetes y aumenta la capacidad del canal. Comparándolo con ALOHA puro, ALOHA ranurado es más complejo ya que se requieren guardas de tiempo y encabezados introducidos a los paquetes para convertir mensajes de longitud variable en formatos de paquetes fijos. La estabilidad de este protocolo es moderada por que también cuenta con un limite en el canal, que una vez rebasado, las colisiones empiezan a incrementar. ALOHA ranurado es superior a ALOHA puro, su retardo en la toma de los canales sigue siendo baja, es robusto y la relación VSAT costo/complejidad es de baja a media, es muy utilizado para aplicaciones en donde se requiere soportar tráficos de mensajes de longitud fija. Su capacidad puede estar entre 0.25 y 0.368.32

Protocolos ALOHA El problema de los accesos aleatorios es que a cierto nivel de tráfico se producen colisiones, así se este hablando de ALOHA puro, ALOHA rechazo selectivo o ALOHA ranurado, ninguno de ellos logra una eficiencia ni del 50% de la capacidad del canal. Por ello hay un creciente interés en investigar sobre otros protocolos que permiten hacer reservaciones de canal mediante accesos basados en competencia cuyo objetivo es evitar por completo las colisiones. En una red VSAT las estaciones están distribuidas geográficamente y hacen peticiones de recursos aleatoriamente, por lo que es necesario contar con un sub-canal (o canal de control) para que las estaciones puedan comunicarse, a través de un canal satelital, con el centro de control principal y hacer las reservaciones para accesar al canal durante las transmisiones de datos. Hacer las reservaciones es más factible mediante

31 Raychaudhuri y Joseph, (1988) y Krishnamyrthy et al., (2003) 32 Raychaudhuri y Joseph, (1988) y Abramson, (1977)

cualquier variante de ALOHA o mediante TDMA. El problema de reservaciones TDMA es su bajo desempeño a un número grande de terminales por otro lado los protocolos tipo ALOHA son independientes del número de VSATs pero necesitan estar controlados para una operación estable. El primer paso es transmitir un mensaje corto de reservación, que en este caso será en una fracción de canal para acceso ALOHA destinado para mensajes de reservación y control, una vez que este mensaje de reservación se recibe exitosamente en la estación Hub de la red este asignan ranuras de tiempo para que se transmita la información libre de conflictos. De esta manera se puede proporcionar un throughput mayor que los protocolos tipo ALOHA en un ambiente en donde los mensajes de datos son sustancialmente mayores que los mensajes de reservación. Este protocolo recibe el nombre de Asignación por demanda TDMA/FDMA con reservaciones de acceso de ALOHA ranurado. Como toda técnica de reservación se incluye un retardo característico que es igual al tiempo que toma en solicitar asignación de recursos a la estación Hub- que es alrededor de 0.5 s y esto es aun cuando el tráfico es muy bajo. Para las aplicaciones interactivas, no se tolera que exista fuerte dependencia al volumen de tráfico en el desempeño de la VSAT por lo que la Asignación por demanda TDMA/FDMA con reservaciones de acceso de ALOHA ranurado es la implementación más popular de control de acceso a las aplicaciones VSAT. Este protocolo claramente ofrece mayor capacidad de canal que los esquemas basados en competencia pero hay un compromiso que es el retardo de asignación de recursos, poca robustez en presencia de errores en el canal y alta complejidad de implementación.33

Como se mencionó anteriormente los VSATs con aplicaciones de datos interactivas generan mensajes cortos, de longitud variable con tasas de transmisión de datos, en promedio, menores que la velocidad del enlace multiacceso del VSAT al Hub. Una de las características importantes para el usuario en los accesos múltiples es el retardo. Y el número de usuarios que comparten el canal es de importancia para el operador ya que el número de de usuarios por canal se relaciona directamente con el throughput. Es por esta razón que es importante caracterizar el retardo vs. throughput promedio. Una caracterización importante es el pico de retardo vs. throughput (o número de terminales). Es conocido que el protocolo ALOHA es estable con canales finitos y modelos de tráfico interactivos al seleccionar apropiadamente un retardo de retransmisión suficientemente largo. Por ello, es importante usar el retardo mínimo para el cual el canal es estable. Otro valor importante a conocer es el tráfico total del canal en el que se incluyan retransmisiones debido a colisiones, encabezados y reservaciones a diferentes niveles de carga del canal. Al medir el throughput en protocolos de accesos aleatorios se puede obtener el grado de retransmisiones debido a colisiones mediante la diferencia entre el tráfico total de paquetes y el throughput del 33 Raychaudhuri y Joseph, (1988)

canal. En los sistemas DAMA basados en reservación la diferencia entre el tráfico y el throughput refleja el tráfico de reservación de canal.

El throughput es considerado el conjunto de datos útiles después de contar el preámbulo de adquisición en ALOHA, guardas de tiempo, tiempo de adquisición y pérdidas de ranuras de tiempo (debido a varianza en la longitud del paquete) en el ALOHA ranurado, los encabezados de los sub-paquetes en ALOHA de rechazo selectivo y los encabezados de canales de reservación y pérdidas de tiempo en ranuras en Asignación por demanda TDMA/FDMA con reservaciones de acceso de ALOHA ranurado. Los valores de los retardos incluyen los retardos por sincronización para ranuras de tiempo, en los protocolos síncronos. Se puede ver que ALOHA y ALOHA ranurado se desempeñan prácticamente igual mientras que ALOHA de rechazo selectivo los supera a ambos. Sabemos que esta superioridad se debe en gran medida a la alta dependencia en la longitud del mensaje que tienen los primeros dos. También se puede notar que el throughput alcanzado por asignación por demanda TDMA/FDMA con reservaciones de acceso de ALOHA ranurado es mucho mayor pero con un retardo irreducible.34 Una caracterización útil es la que muestre el retardo en función de número de estaciones VSAT soportadas por el mismo canal. Raychaudhuri y Joseph realizaron una prueba en donde se consideraba el retardo promedio y el pico de retardo (95%). Es importante mostrar estas graficas en sus valores de retardo promedio y en retardo máximo ya que son parte de las especificaciones de diseño de cualquier red interactiva para determinar la capacidad soportada por el canal a medida que se incrementa el número de estaciones VSAT y determinar hasta que nivel de trafico o número de VSAT se satisfacen aun los requerimientos de desempeño. El pico de retardo del protocolo ALOHA tiende a subir rápidamente mientras que ALOHA ranurado y ALOHA de rechazo selectivo proveen mejores propiedades de pico de retardo pero también se caracterizan por incrementar rápidamente el pico de retardo a medida que el canal se sobrecarga. DAMA se caracteriza por un retardo promedio alto pero con una varianza de retardo muy baja.

Existen múltiples variantes de protocolos de acceso que satisfacen diferentes tipos de necesidades de trafico y que cuentan con diversas características que les permite ofrecer mejor soporte a cierto tipo de aplicaciones en un ambiente 34 Raychaudhuri y Joseph, (1988)

satelital. En la tabla que se muestra a continuación podrán observarse algunos de los protocolos comunes bajo la luz de algunos de sus parámetros importantes.

Protocolo TDMA S-ALOHA R-ALOJA RRR Promedio Bajo Bajo Alto Alto Retardo promedio Throughput

Bajo Muy bajo Muy bajo Muy bajo

Estabilidad Alta Baja Media Media Escalabilidad No Si Si Limitada Reconfigurabilidad No Alta Alta Alta Banda Ancha Si No No Si Aplicaciones Costo/Complejidad

Media Bajo Bajo Alto

Cuadro 3. Comparación de desempeño35

Como se expreso anteriormente, los protocolos de accesos a canal, satisfacen necesidades de tráfico en entornos bien definidos para ofrecer una máxima eficiencia de uso de canal. Es importante familiarizarse con los cuatro principales tipos de protocolos para hacer una adecuada selección del protocolo de acceso a canal para satisfacer los requerimientos de tráfico de una red satelital y así, evitar sorpresas o confusiones en el análisis de tráfico de redes que operen con un modelo de tráfico soportado por un protocolo de acceso a canal dado. Para propósitos generales puede usarse el contenido del cuadro 4.36 En las redes de Internet, los protocolos de acceso a canal no son los únicos que deberán considerarse, es una parte, pero no es todo lo requerido para satisfacer un análisis de tráfico. Deberá también considerarse la variante de protocolo TCP que se usa. Existen diferentes variantes que han sido desarrolladas por el IETF37. Existen diferentes versiones, entre ellas TCP Reno, Tahoe, Vegas, SACK y DVegas38.

Modelo de Tráfico Selección de protocolo de acceso al canal (MAC)

Tráfico continuo (no ráfagas de tráfico) Asignación fija Tráfico en ráfagas con mensajes cortos Asignación aleatoria Tráfico en ráfagas con mensajes largos y con un gran número de estaciones cargadas con bajo tráfico

Protocolos de reservación base a competencia para acceso y peticiones de reservación de canal

Tráfico en ráfagas con mensajes largos y un Protocolos de reservación con reservación de

35 Zhang, (2003) 36 En la tesis de titulación de maestría Ríos Ramsés (2005), se muestra una descripción más detallada de los diversos protocolos y técnicas de acceso que son descritos bajo diferentes parámetros de interés en un protocolo de este tipo. Esto se muestra en las páginas 70 y 71. 37 Por sus siglas en Ingles, Internet Engineering Task Force. 38 Existe una revisión detallada de estos protocolos TCP operando en redes satelitales en Ríos Ramsés (2005).

número pequeño de estaciones cargadas con alto tráfico

canal fijo TDMA.

Cuadro 4. Relación entre modelo de tráfico y selección de protocolo MAC39

En la actualidad existen tecnologías que manejan múltiples protocolos de acceso a canal que cuya selección esta determinada por el tipo de tráfico. El tipo de trafico que se transportara es indicado por protocolos de capas superiores del modelo OSI, con esta información y mediante un grupo de protocolos de acceso a canal administrados por un servidor de protocolos se indica cual es el más adecuado para cada aplicación que sea transportada a través del canal de comunicación con el objetivo de utilizar al máximo el recurso de ancho de banda disponible.

Problemas propuestos

1. Se tiene un enlace de comunicación entre una estación terrena y el satelite. Se sabe que la estación terrestre cuenta con un amplificador de bajo ruido que entrega una señal con un nivel de potencia de -10 dBm. Calcule cual es la potencia a la entrada del LNA si este tiene una ganancia de 40dB.

2. Si se tiene una cadena de atenuaciones y ganancias como sigue (-1.5,-

0.5, -1, +30, -8, +15) y se tenia una potencia de entrada a la cadena de 1 w. Cuanto es lo que se obtiene a la salida expresada en watts?

3. Se tiene un combinador de cuatro puertos de entrada y uno de salida.

En el puerto uno se tiene una señal de 20dBm, puerto dos una señal de 30 dBm, puerto tres una señal de 10dBm y el puerto cuatro la señal es de 5 dBm. ¿Cuál es la potencia de la señal a la salida del combinador expresada en dBm?

4. Calcule la ganancia direccional de una antena de 9.3 metros que opera en la banda C (Tx:6GHz y Rx:4GHz)a la recepción y a la transmisión considerando una eficiencia de antena de 0.6.

5. Considere una estación terrena de 8.1 metros que opera a una

frecuencia de transmisión de 14.5GHz a un ángulo de elevación de 10 grados, a cielo despejado, con 7.5g/cm3 de concentración de vapor de agua. Las perdidas ohmicas son por guías de onda 3 dB, por el alimentador 0.1 dB, por inserción del acoplador direccional 0.2 dB y las perdidas por inserción del filtro pasa bandas es de 0.5 dB. Todas estas

39 Zhang (2003)

perdidas son por encima del plano de referencia que se considera normalmente, LNA. Calcule la temperatura de la antena.

6. Calcule la distancia que existe entre una de una estación terrestre

hacia la posición en donde se encuentra el satelite geoestacionario sobre el ecuador considerando una elevación de 10˚, 20˚ y 30˚.

7. Del problema 6, calcule la perdida en el enlace ascendente

considerando esos ángulos a una frecuencia de portadora de transmisión en la banda C igual a 6.4 GHz.

8. Se tiene una antena Vertex cassegrain de 11.3 metros de diámetro

operando en satélites geoestacionarios. La antena esta conectada a un amplificador de alta potencia configurado a una potencia de transmisión de 15 Watts. ¿Cual es el valor de la PIRE de esta estación terrena?

9. Del problema 8, ¿Cual es la potencia que se recibe en el satelite

considerando las pérdidas que puede sufrir la señal durante su trayectoria hacia el satelite?

10. Del problema 9, ¿De cuanto seria la potencia en watts que transmite

la estación terrena transmisora y cuanta potencia en dBm se reciben en el satelite?

11. Se sabe que la PIREE/T es de 80 dBW y opera a una frecuencia de

14GHz en su enlace ascendente. La antena tiene una elevación de 50˚ y la (G/T)asc es igual a 6.5. ¿Cual es la relación portadora a densidad de ruido considerando Lv de 1 dB?

12. Del problema 11, calcule cual seria la relación portadora a ruido (C/N)

para una portadora de velocidad de 64Kbps que ocupa un ancho de banda en espectro de 73 kHz, considerando un FEC de ½ y modulación de QPSK.

13. Se le pide que calcule el oscilador local del satelite considerando la

banda de frecuencia de la banda C que se muestran en el cuadro 3.

14. Calcule las perdidas de un enlace descendente que opera en la banda C a una frecuencia de 3.400 GHz

15. Considerando el valor obtenido como Tant que resulto del problema 5

obténgase la temperatura de un sistema Tsys de comunicación satelital considerando que se cuenta con un LNA de 30dB de ganancia a la

recepción de la antena terrestre y que tiene una figura de ruido de 5 dB y que el convertidor descendente de banda C a FI tiene una figura de ruido de 11 dB.

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Communications Magazine; 2000. Abramson N.; “VSAT Data Networks”; Proceedings of the IEEE; July, 1990. Abramson, N.; “The throughput of packet broadcasting channels”; IEEE

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