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Fundamentos de comunicaciones satelitales Ing. Luis A. Martínez J. Agosto de 2009 Objetivos Describir las ventajas de las comunicaciones por satelite Realizar una comparación entre las comunicaciones satelitales y otros medios Comparar satélites de diferentes orbitas Discutir terminología asociada a comunicaciones satelitales Agosto de 2009 Breve recuento... Idea transmisiones de radio 1911, solamente hasta 1945 Althur C. Clarke sugirió la idea de un GEO, luego revisada por J.R. Pierce en 1955. 12 Años después SPUTNIK 1 fue lanzado en 1957. Primer experimento fue el SCORE, circundó la tierra en órbita elíptica y retransmitió mensajes en una cinta magnética. Telstar, lanzado en Julio de 1962 fue el primer satélite activo con un receptor y transmisor, para señales de TV. En 1964 se crea INTELSAT. Agosto de 2009 Por qué emplear las comunicaciones por satélite? Alto cubrimiento geográfico Reducción del problema de la linea de vista Elevada confiabilidad (99.9% Up time) Difusión confiable de información Un punico vendedor Fácil de instalar Soporta varias aplicaciones: Agosto de 2009 Video Datos Voz Por qué emplear comunicaciones satelitales? Ideal para redes distribuidas y punto multipunto Ancho de banda asimétrico Bajo BER Entrega simultánea de datos a varios puntos Independencia de una red pública Agosto de 2009 Alternativas de comunicación Redes de cobre/Fibra optica/Radios RF Link H O S T F E P M O D E M T C O Fiber Optics Wire Cable T C O M O D E M C O N T R O L L E R Terminal Printer Fax Agosto de 2009 Terrestre Vs. Satélite Criterio Agosto de 2009 Terrestre Satelite Disponibilidad 99.5% 99.9% Ancho de banda Limitado Adecuado Frecuencia La asignada Adecuada Congestion Espectro Repetidores Depende Uno Service Rates Depende Estables Transmission Paths Limitados Dependiendo del haz Vendors Multiples Uno Tipos de Satélites Low Earth Orbit (LEO) 200 a 1400 km Agosto de 2009 Satélites Orbitales Agosto de 2009 Tipos de Satélites Low Earth Orbit (LEO) Cont... Aparece el concepto de constelación Agosto de 2009 Tipos de Satélites Geosynchronous Orbit (GEO) 35,680 km’s Agosto de 2009 Cinturón de Clarke Tipos de Satélites GEO A 36000 Km.(~5,6 del radio de la tierra) Período orbital 23 h, 56 min. y 4 seg. MEO Altura entre 10.075 y 20.150 Km. Su posición relativa respecto a la superficie no es fija. LEO Agosto de 2009 Situados a 1.500 Km. por termino medio Periodos orbitales se encuentran entre los 90 y los 120 minutos. Constelación de satélites. Satélites Geoestacionarios Ventajas: Agosto de 2009 Los satélites tienen la misma velocidad angular que la tierra, con lo que pueden establecer radioenlaces con estaciones terrenas cuyas antenas apuntan a un punto fijo en el cielo. La elevada altitud de la órbita posibilita que 3 satélites sean suficientes para cubrir toda la superficie terrestre. Satélites Geoestacionarios Desventajas: Agosto de 2009 Las zonas de servicio de los satélites (footprints) son muy grandes, con lo que se malgasta parte de ella en regiones indeseadas como océanos, zonas poco pobladas, etc. Debido a la elevada altitud de la órbita, las pérdidas por atenuación son considerables. No es posible diseñar terminales portátiles de bolsillo. También a causa de la distancia, el retardo de propagación es lo suficientemente elevado Al ser la órbita ecuatorial, la cobertura empeora notablemente con la latitud. Parámetros de GEO ideal PARÁMETROS DE UNA ÓRBITA GEOESTACIONARIA Periodo del satélite (T) 23 hr, 56 min, 4 seg Radio de la Tierra (r) 6,377 Km Altitud del satélite (h) 35,779 Km Radio de la Órbita (d = r+h) 42,157 Km Inclinación (respecto al ecuador) 0 Velocidad tangencial del satélite (v) 3.074 km/seg Excentricidad de la órbita 0 Agosto de 2009 Satélites de Orbita Baja Ventajas: Agosto de 2009 Débil atenuación del enlace, lo que posibilita la reducción del tamaño de los satélites y de los terminales, que pueden ser fácilmente de bolsillo. Retardo de propagación tolerable para servicio de voz en tiempo real. Posibilidad de cobertura en los polos (con órbitas inclinadas). Las zonas de servicio son pequeñas, permitiendo un mejor aprovechamiento de las mismas. Una red LEO puede contar con ISLs, lo que supone una alternativa a las redes terrestres. Satélites de Orbita Baja Desventajas: Para obtener cobertura global, necesitamos una constelación de decenas de satélites. El empleo de ISLs, conlleva un aumento considerable de la complejidad del satélite. Debido a la elevada velocidad del satélite respecto de la tierra, la conmutación de llamadas en curso (handover) es frecuente. Agosto de 2009 Características CARACTERÍSTICAS LEO MEO GEO Coste del Segmento Espacial Alto Bajo Medio Vida del Satélite (años) 3-7 10-15 10-15 Costo de las Pasarelas Alto Medio Bajo Retardo de Propagación Imperceptible imperceptible Ángulos de Elevación Bajos (malo) Medios Altos (bueno) Alta Media Baja Frecuente Infrecuente Inexistente Complejidad de las Operaciones Handover Agosto de 2009 Sensible Orbitas elípticas Apogeo Perigeo Agosto de 2009 Resumen de orbitas Distancia a tierra (GEO, MEO, LEO) Plano orbital respecto Ecuador (ecuatorial, inclinada, polar) Trayectoria orbital (circular, elíptica) Geosíncrona: Circular con período de día sideral. Geoestacionaria: Igual que el geosíncrono pero tiene cero grados respecto al Ecuador. Agosto de 2009 Espaciamiento Orbital Ancho del haz y radiación del lóbulo lateral de la estación terrena y antenas del satélite. Frecuencia de la portadora de RF. Técnica de codificación o de modulación usada. Límites aceptables de interferencia. Potencia de la portadora de transmisión. Aproximadamente 3° a 6°. Agosto de 2009 Huella del satélite y orbita Agosto de 2009 Espaciamiento Orbital Satélite LEO Agosto de 2009 Satélite GEOESTACIONARIO Bandas de Frecuencias Agosto de 2009 Bandas de Frecuencias BANDAS Agosto de 2009 FRECUENCIA DE TRABAJO Banda P 200-400 Mhz. Banda L 1530-2700 Mhz. Banda S 2700-3500 Mhz. Banda C 3700-4200 Mhz. 4400-4700 Mhz. 5725-6425 Mhz. Banda X 7900-8400 Mhz. Banda Ku1 (Banda PSS) 10.7-11.75 Ghz. Banda Ku2 (Banda DBS) 11.75-12.5 Ghz. Banda Ku3 (Banda Telecom) 12.5-12.75 Ghz. Banda Ka 17.7-21.2 Ghz. Banda K 27.5-31.0 Ghz. Bandas de Frecuencias Banda C Banda Ku Banda Ka La banda C se refiere al margen 5,9 – 6,4 GHz para el canal ascendente y 3,7 – 4,2 para el descendente. Proporciona transmisiones de más baja potencia que la Ku, más cobertura geográfica, con un plato del orden de 3 m, con un mayor margen de error de apuntamiento. Agosto de 2009 Bandas de Frecuencias Banda C Banda Ku Banda Ka La banda Ku utiliza el margen 14-14,5 GHz para al canal ascendente y 11,7 – 12,2 GHz para el descendente. Esta banda proporciona más potencia que la C y, el plato de la antena receptora es del orden de 1,22 m., pero la cobertura es menor, no la afectan las interferencias terrestres, pero sí las turbaciones meteorológicas, producen distorsiones y ruido en la transmisión. Agosto de 2009 Bandas de Frecuencias Banda C Banda Ku Banda Ka Existe actualmente una banda de frecuencias emergente en el sector civil que proviene del ámbito militar. Se trata de la banda Ka, que opera entre 18 y 31 GHz, con la que se espera satisfacer la creciente saturación de las bandas C y Ku. Agosto de 2009 Lanzamiento Sencillo Vs. dual Aumentado Normal satélite 1 satélite Perigee Kick Stage (PAM*) Agosto de 2009 Acople de carga útil satélite 2 Anillo de separación * PAM = Payload Assist Module Estructura para lanzamientos duales Sencillo Dual Lanzamiento Agosto de 2009 Lanzamiento Sencillo Vs. Dual plataformas de Ariane 5 Agosto de 2009 Despliegue Estabilizado en tres ejes Spinner Agosto de 2009 Lanzamiento Sencillo Plataforma marina Agosto de 2009 Cambios de Orbita 8 2 3 7 1 Agosto de 2009 Segmento Satelital Mecánica Celeste Transponders Sistema de potencia y paneles solares Propulsores Sistema de guía Antenas Sistemas de RF Agosto de 2009 Station Keeping 64 Km 64 Km Agosto de 2009 Efectos gravitacionales sobre el satélite Sol Gs Ps Gm Agosto de 2009 Patrón de deriva 64 Km Correccione s Aplicadas 6 Semanas 6 Semanas 64 Km Agosto de 2009 Ecuador Motores Lineal Rotación Agosto de 2009 Apuntamiento y estabilización N YAW S PITCH ROLL Agosto de 2009 Control Térmico Y Z X CARA X Y Z Agosto de 2009 Apunta a … Anotaciones E & W sobre el ecuador N & S (Arreglos solares) Hacia (y opuesto a) la tierra Superficie metalizada Espejos Superficie metalizada Generación de potencia Fuente: Paneles solares Eficiencia: 10% Capacidad máxima: 130% La superficie plana siempre apunta hacia el sol La energia del sol se convierte en alimentación DC La energía capturada cumple varios objetivos Agosto de 2009 Baterías Equinoccio de otoño Sol Equinoccio de primavera Agosto de 2009 Satélites de comunicaciones ¿Qué es un satélite de comunicaciones? Un “retransmisor radioeléctrico” en el espacio Recibe, amplifica y reorienta señales hacia la tierra o a otros satélites (ISL) Antena de Transmisión Control y propulsión Transponder Potencia eléctrica Agosto de 2009 Antena de Recepción Satélites de comunicaciones ¿Qué es la proyección de un haz? Spot 1 Global Intelsat 805 @ 304.5° E Agosto de 2009 Satélites de comunicaciones ¿Por qué existen tantas proyecciones de haces? Porque permiten: Conectividad flexible Conexiones mundiales Conexiones entre continentes Cobertura en regiones específicas Servicio a grupos determinados Agosto de 2009 Satélites de comunicaciones ¿Cómo pueden existir tantos haces simultáneos? Agosto de 2009 Aislamiento de la polarización Aislamiento espacial Qué es un transponder? Conversor de frecuencia Normalmente 60 y 70 transponder por satélite Componentes: Agosto de 2009 Pre-amplificador de baja potencia Mux de entrada (IMUX) Aislador de salida Conmutador de salida Multiplexor de salida (OMUX) Amplificador de alta potencia de tubos (TWTA) Segmento Satelital Actua como un repetidor de RF Transponders de 36,54, 72, 77, 140 MHz 1 15 16 Low Noise Amp Receiver Conversor de frecuencia Power Amplifier Low Noise Amp Receiver Conversor de frecuencia Power Amplifier Low Noise Amp Receiver Conversor de frecuencia Power Amplifier Antena Rx Agosto de 2009 Antena Tx Diagrama de bloques Recepción 14.0-14.5 GHz (F1) Transmisión 11.7- 12.2 GHz 14 GHz a 4 GHz Mezclador IMUX LNA MATRIZ DE CONMUTACIÓN OMUX HPA 4 GHz a 12 GHz Oscilador local (F2) Agosto de 2009 Transponder 36 unidades 72 unidades Al tener la misma potencia (agua), ¿Cómo se distribuye entre los usuarios (recipientes)? Agosto de 2009 Características de la antena El ancho de haz crece a medida que se reduce el tamaño de la antena o la señal disminuye en frecuencia. El ancho se reduce si la antena crece en tamaño o incrementa F de tx. Agosto de 2009 Ventaja geográfica Bismarck, North Dakota 38 40 42 Dallas, Texas Agosto de 2009 44 Ventaja geográfica 3 2 2 -2 Agosto de 2009 Ventaja geográfica Representa la mejora o pérdida adicional sobre la potencia recibida en la estación terrena o satélite por ubicación dentro del patrón de radiación de la antena del satélite. Se obtiene de los diagramas de cobertura y se suma directamente al márgen del enlace. Agosto de 2009 Tracking, Telemetry & Command Station Command Subsystem Satellite Control Center (SCC)* Ranging Subsystem I.F. Switching and Control Subsystem Full Tracking TTAC Antenna Telemetry Subsystem *SCC. The brain of the operation. Supplies computing power and human intelligence. Can be co-located or at a distance. UpLink Down Link UpLink Down Link Limited Motion Communication Antennas Agosto de 2009 Intelsat 805 Key Parameters Total Transponders C-Band: Ku-Band: up to 36 (in equiv. 36 MHz units) up to 6 (in equiv. 36 MHz units) Polarization e.i.r.p. (C-Band) (Beam Edge to Beam Peak) Uplink Frequency Downlink Frequency C-Band: Ku-Band: Linear Linear Hemi Beam: 37.5 up to 43.0 dBW C-Band: Ku-Band: 5850 to 6650 MHz 14.00 to 14.25 GHz C-Band: Ku-Band: 3400 to 4200 MHz 12.50 to 12.75 GHz G/T (C-Band) (Beam Edge to Hemi Beam: Beam Peak) G/T (Ku-Band) (Beam Peak) Spot 1: SFD Range (Beam Edge) C-Band: Ku-Band: Agosto de 2009 -8.0 up to -3.4 dB/K Up to +6.2 dB/K -89.0 to -70.0 dBW/m² -96.0 to -74.0 dBW/m² Cobertura satelital para Colombia Cobertura Zonal Cobertura Hemisférica IS-706 Cobertura Zonal Cobertura Hemisférica IS-903 Agosto de 2009 Cobertura satelital para Colombia Agosto de 2009 Antenas Prime Focus Cassegrain Offset Agosto de 2009 Antenas Andrew 4.6 m Gregorian Vertex 11.1 m Cassegrain Vertex 3.8 m Dual Offset Agosto de 2009 Andrew 3.7 m Transportable Antenas RCA 0.60 m Offset Receive Only Channel Master 0.75 m Offset Patriot 2.8 m Receive Only Prime Focus Agosto de 2009 Enlace Satelital Elementos básicos Ruido, Figura de ruido, acumulación. Reflectores parabólicos. Ecuación de transmisión Enlace satelital. Calidad, Disponibilidad Diseño del enlace Agosto de 2009 Retardo de propagación Ad A Bd B Punto de referencia Agosto de 2009 Enlace de comunicaciones Hub = Uplink = Downlink Agosto de 2009 Remota Enlace de comunicaciones Para sistemas VSATs Hub Remota = Outbound = Inbound Agosto de 2009 Fundamentos. Ruido Todos los dispositivos se pueden modelar como un dispositivo ideal más una fuente de ruido de potencia: N=kTB. K = cte. de boltzmann T = Temp. Equivalente de ruido B = Ancho de banda de trabajo No=KT densidad de ruido (1Hz) Figura de ruido NF = 1 + T/290 Es la relación entra la potencia de ruido saliente del equipo y la entrante al equipo Agosto de 2009 Sinópsis del cómputo de enlace satelital Interferencia del satélite adyacente G/TS PIRES C/Tsat itm C/Tu LD LU C/Td Interferencia cocanal CCI C/TCCI f SFD C/THPA IM G/TE/S PIREE/S C/Tt Modem Modem B.E.R Agosto de 2009 Ecuaciones fundamentales Densidad de flujo [W/m2] Pt Gt 4D 2 Definición de C/T C / T PIRE G / T L(dB) Donde: L = Pérdidas de transmisión G/T = Figura de mérito Agosto de 2009 Ecuaciones fundamentales También: N KTB N 0 KT C C 1 * N0 T B C C 1 * N T KB Agosto de 2009 Componentes de ruido Ruido térmico del enlace ascendente Productos de intermodulación del HPA de la estación terrena Interferencia en el mismo canal Intermodulación del transponder Ruido térmico del enlace descendente 1 1 1 1 1 1 (C / TT ) (C / Tup ) (C / Tdown ) (C / THPAIM ) (C / TIMSAT ) (C / TCCI ) Agosto de 2009 Pérdidas de transmisión L Lo Latm Lrain Ltrack Donde: Lo Latm Lrain Ltrack = = = = Pérdida en espacio libre Pérdidas en atmosfera Pérdidas por lluvia Perdidas por tracking Perdidas en atmósfera 0.25 0.33 0.53 0.73 Agosto de 2009 Frecuencia en Ghz 2<f<5 5 < f < 10 10 < f < 13 13 < f Parámetros de interferencia Interferencia del satélite adyacente (ASI) Posible fuente de ruido Se puede evitar: Agosto de 2009 Colocar portadoras menos potentes en el borde del transponder Calidad y disponibilidad Calidad : Relación BER objetivo del enlace y ofrecida al cliente. Disponibilidad: Tiempo durante el cual se asegura el objetivo de calidad. Uso correcto de los equipos Disponibilidad % Ofrecido = %Uplink+% Downlink 99.6% = 99.8%u + 99.8%d Márgenes: Agosto de 2009 Carga de tráfico adecuada Dimensionamiento adecuado del enlace Gases: ITU-R P676 Lluvia: ITU-R P618-6 Calidad y disponibilidad Calidad : Objetivo Eb/No, C/N, BER. BPSK/QPSK BER 1.00E-01 1.00E-02 1.00E-03 1.00E-04 1.00E-05 1.00E-06 1.00E-07 BER 1.00E-08 1.00E-09 1.00E-10 1.00E-11 Uncoded Theory Rate 1/2 Coding Theory 1.00E-12 Rate 3/4 Coding Theory 1.00E-13 1.00E-14 1.00E-15 1.00E-16 1.00E-17 1.00E-18 0 1 2 3 4 5 6 7 Eb/No Agosto de 2009 8 9 10 11 12 13 Calidad y disponibilidad Protección contra errores Protocolos LLC TECNICAS DE CONTROL DE ERROR ARQ Automatic Repeat Request FEC SW GB(N) Agosto de 2009 SR Calidad y disponibilidad Calidad Depende de cada receiver. Eb/No para FEC 1/2 (dB) 6.5 7.1 7.6 9.9 Agosto de 2009 Eb/No para FEC 3/4 (dB) 8.0 8.7 9.2 11.0 Eb/No para FEC 7/8 (dB) 9.1 9.7 10.4 12.1 BER 10-6 10-7 10-8 10-10 Enlace Satelital Es el proceso de dimensionamiento de los trayectos de subida y de bajada Considera: 1 1 C C N T i N i Agosto de 2009 C/N IM C/N Int Coc, AS C/Un, C/Nd Desempeño del satélite (SFD, EIRPsat, P.Adv) Pérdidas (FSL,Lluvia,Depol.,Desapuntami ento) Bandas de frecuencia Desempeño de antena (G/T) Desempeño de HPAs (IM de HPA y de TWT) Enlace satelital Calidad final: C N Agosto de 2009 1 T C N 1 U C N 1 C D N 1 OTROS Diseño del enlace INICIO Determinar objetivos y disponibilidad Calculo preliminar. Cielo despejado Calculo incluyendo márgenes Determinar HPA y antena Agosto de 2009 Diseño del enlace EIRPup Ventaja geográfica en haz de subida bup Pire de subida + Ganancia de XPDR (SFD,sensibilidad) bdown Ganancia de antena en recepción Grx Ventaja de patrón en recepción Perdidas en espacio libre - Perdidas en guia de onda Perdidas en atmosfera Perdidas por lluvia Perdidas por desapuntamiento C Calidad de servicio => BER N + Intermodulación en ES C/T hpaim Ruido termico de subida C/T up C/T down C/T ims at C/T c c i Ruido termico en bajada Intermodulacion en XPDR Interferencia cocanal Agosto de 2009 Lup, Ldown Lwg Redes VSAT Las redes VSAT (Very Small Aperture Terminals) son redes privadas de comunicación de datos via satélite para intercambio de información Agosto de 2009 Punto a punto Punto a multipunto Interactiva Características Redes privadas diseñadas a la medida de las necesidades de las compañías. El aprovechamiento de las ventajas del satélite por el usuario de servicios de telecomunicación a un bajo costo y fácil instalación. Las antenas montadas en los terminales necesarios son de pequeño tamaño (menores de 2.4 metros, típicamente 1.3m). Permite la transferencia de voz, datos y video. Agosto de 2009 Características La red puede tener gran densidad (1000 estaciones VSAT) y está controlada por una estación central llamada HUB que organiza el tráfico entre terminales, y optimiza el acceso a la capacidad del satélite. Enlaces asimétricos. Las bandas de frecuencias, suelen ser K o C, donde se da alta potencia en transmisión y buena sensibilidad en recepción. Agosto de 2009 Por qué es bueno usar VSATs? Acceso de Uk Alcance Lugares lejanos y de difícil acceso Confiabilidad Disponibilidad de hasta el 99.5% Tiempo de instalación Pocas horas Mantenimiento Posee bajo MTTR Flexibilidad Costo Agosto de 2009 Costo inicial Vs. Ganancias a partir del 2o. Año Configuraciones Estrella Agosto de 2009 Malla Alto retardo de propagación Usada en acceso TDMA Alto costo en el HUB Tamaño pequeño de antena (1.8 m) Bajo costo en las VSATs Aplicaciones de intercambio de datos Bajo retardo de propagación Usada en acceso PAMA/DAMA Bajo costo del HUB Mayor tamaño de la antena (2-4 m) Alto costo en VSATs Aplicaciones de alto tráfico Topologías de las VSATs La más usada es la red en estrella bidireccional. La configuración en malla no es demasiado usada debido a la necesidad de mejores VSATs con lo que se pierde la principal ventaja de las redes VSAT. Agosto de 2009 Acceso al medio FDMA (Frecuency Division Multiple Access) Comparten el recurso en el dominio dela frecuencia PAMA Canal permanente No existe retardo en el establecimiento de la llamada SCPC DAMA Agosto de 2009 Conjunto de canales disponibles Servicios de punto a punto, fax, datos y videoconferencia Acceso al medio TDMA (Time Division Multiple Access) Se comparte el medio en los espacios de tiempo Las VSATs usan los slots (Inbound) para el acceso al HUB Existe sincronización con el HUB ALOHA Acceso al cualquier slot en cualquier momento Puede ocasionar colisiones, entonces se inicia un período de retardo aleatorio Slotted ALOHA ayuda a aumentar la eficiencia del BW DR (Dynamic Reservation) Agosto de 2009 Acceso al medio Agosto de 2009 Que tecnología emplear? Tipo de aplicación Tipo de transacción (interactiva o por “ráfaga” burst) Número de usuarios usando la red al mismo tiempo Tamaño de transacción Tiempo de respuesta esperado Agosto de 2009 Qué tecnología emplear? TDMA No. de sitios PAMA Menos de Pequeño-Grande diez Aplicación Burst Alto tráfico Tráfico Menos de 5 M Alto Voz Soportada Soportada Broadcasting Idealmente apto de datos Videoconfere No soportada ncia Agosto de 2009 No soportado Puede ser soportada DAMA Menos de diez Retardo en establecimento de la llamada Alto Específicamente apto Puede ser soportado Puede soportarse Limitaciones Funcionaría esta aplicación en una red de VSATs? Importante conocer cómo se comporta la aplicación ante el retardo 250 mseg. Aplicaciones con cortos tiempos de respuesta como cajeros automáticos… Tener cuidado con múltiples reconocimientos --->spoofing enabled Puede este sitio tener una VSAT? Instalación, equipos, antenas, infraestructura, interferencias, etc. Qué se está comprando? Agosto de 2009 Análisis entre comprar o arrendar Escenarios, servicio, experiencia, corto o largo plazo...