Agosto de 2009 Fundamentos de comunicaciones satelitales Ing. Luis A. Martínez J.

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1 Agosto de 2009 Fundamentos de comunicaciones satelitales Ing. Luis A. Martínez J.

2 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

3 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.

4 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:  Video  Datos  Voz

5 Agosto de 2009 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

6 Agosto de 2009 Alternativas de comunicación Redes de cobre/Fibra optica/Radios HOSTHOST HOSTHOST FEPFEP FEPFEP MODEMMODEM MODEMMODEM TCOTCO TCOTCO Terminal Printer Fax MODEMMODEM MODEMMODEM TCOTCO TCOTCO CONTROLLERCONTROLLER CONTROLLERCONTROLLER Wire Cable Fiber Optics RF Link

7 Agosto de 2009 Criterio Terrestre Satelite Disponibilidad99.5%99.9% Ancho de banda LimitadoAdecuado Frecuencia La asignada Adecuada Congestion Espectro Repetidores DependeUno Service RatesDependeEstables Transmission PathsLimitadosDependiendo del haz Vendors MultiplesUno Disponibilidad99.5%99.9% Ancho de banda LimitadoAdecuado Frecuencia La asignada Adecuada Congestion Espectro Repetidores DependeUno Service RatesDependeEstables Transmission PathsLimitadosDependiendo del haz Vendors MultiplesUno Terrestre Vs. Satélite

8 Agosto de 2009 Tipos de Satélites Low Earth Orbit (LEO) 200 a 1400 km

9 Agosto de 2009 Satélites Orbitales

10 Agosto de 2009 Tipos de Satélites Low Earth Orbit (LEO) Cont...  Aparece el concepto de constelación

11 Agosto de 2009 Tipos de Satélites Geosynchronous Orbit (GEO) 35,680 km’s Cinturón de Clarke

12 Agosto de 2009 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  Situados a 1.500 Km. por termino medio  Periodos orbitales se encuentran entre los 90 y los 120 minutos.  Constelación de satélites.

13 Agosto de 2009 Satélites Geoestacionarios  Ventajas:  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.

14 Agosto de 2009 Satélites Geoestacionarios  Desventajas:  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.

15 Agosto de 2009 Parámetros de GEO ideal

16 Agosto de 2009 Satélites de Orbita Baja  Ventajas:  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.

17 Agosto de 2009 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.

18 Agosto de 2009 Características

19 Agosto de 2009 Orbitas elípticas Perigeo Apogeo

20 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.

21 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°.

22 Agosto de 2009 Huella del satélite y orbita

23 Agosto de 2009 Espaciamiento Orbital Sat é lite GEOESTACIONARIO Sat é lite LEO

24 Agosto de 2009 Bandas de Frecuencias

25 Agosto de 2009 Bandas de Frecuencias

26 Agosto de 2009 Banda CBanda KuBanda 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. Bandas de Frecuencias

27 Agosto de 2009 Banda CBanda KuBanda 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. Bandas de Frecuencias

28 Agosto de 2009 Banda CBanda KuBanda 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. Bandas de Frecuencias

29 Agosto de 2009 Lanzamiento Sencillo Vs. dual Aumentado satélite satélite 1 Normal satélite 2 Sencillo Dual Acople de carga útil Perigee Kick Stage (PAM*) Anillo de separación Estructura para lanzamientos duales * PAM = Payload Assist Module

30 Agosto de 2009 Lanzamiento

31 Agosto de 2009 Lanzamiento Sencillo Vs. Dual plataformas de Ariane 5

32 Agosto de 2009 Despliegue Estabilizado en tres ejes Spinner

33 Agosto de 2009 Lanzamiento Sencillo Plataforma marina

34 Agosto de 2009 1 2 3 7 8 Cambios de Orbita

35 Agosto de 2009  Mecánica Celeste  Transponders  Sistema de potencia y paneles solares  Propulsores  Sistema de guía  Antenas  Sistemas de RF Segmento Satelital

36 Agosto de 2009 Station Keeping 64 Km

37 Agosto de 2009 Efectos gravitacionales sobre el satélite Sol GsGs PsPs GmGm

38 Agosto de 2009 Patrón de deriva 64 Km Ecuador 6 Semanas Correccione s Aplicadas 6 Semanas

39 Agosto de 2009 Motores Rotación Lineal

40 Agosto de 2009 Apuntamiento y estabilización N S YAW ROLL PITCH

41 Agosto de 2009 Control Térmico CARA X Y Z Apunta a … E & W sobre el ecuador N & S (Arreglos solares) Hacia (y opuesto a) la tierra Anotaciones Superficie metalizada Espejos Superficie metalizada YZXYZX

42 Agosto de 2009 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

43 Agosto de 2009 Baterías Equinoccio de otoño Equinoccio de primavera Sol

44 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 Antena de RecepciónPotencia eléctrica Control y propulsión Transponder

45 Agosto de 2009 Satélites de comunicaciones  ¿Qué es la proyección de un haz? Global Spot 1 Intelsat 805 @ 304.5° E

46 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

47 Agosto de 2009 Satélites de comunicaciones  ¿Cómo pueden existir tantos haces simultáneos?  Aislamiento de la polarización  Aislamiento espacial

48 Agosto de 2009 Qué es un transponder?  Conversor de frecuencia  Normalmente 60 y 70 transponder por satélite  Componentes:  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)

49 Agosto de 2009 Segmento Satelital  Actua como un repetidor de RF  Transponders de 36,54, 72, 77, 140 MHz Conversor de frecuencia Power Amplifier Conversor de frecuencia Power Amplifier Conversor de frecuencia Power Amplifier Antena Rx Antena Tx 1 15 16 Low Noise Amp Receiver Low Noise Amp Receiver Low Noise Amp Receiver

50 Agosto de 2009 Diagrama de bloques IMUX Recepción 14.0-14.5 GHz (F1) Transmisión 11.7- 12.2 GHz LNA Oscilador local (F2) Mezclador HPA OMUX 14 GHz a 4 GHz MATRIZ DE CONMUTACIÓN 4 GHz a 12 GHz

51 Agosto de 2009 Transponder  Al tener la misma potencia (agua), ¿Cómo se distribuye entre los usuarios (recipientes)? 36 unidades72 unidades

52 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.

53 Agosto de 2009 44424038 Bismarck, North Dakota Dallas, Texas Ventaja geográfica

54 Agosto de 2009 3 2 2 -2 Ventaja geográfica

55 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.

56 Agosto de 2009 Tracking, Telemetry & Command Station Command Subsystem Ranging Subsystem Telemetry Subsystem I.F. Switching and Control Subsystem Full Tracking TTAC Antenna Limited Motion Communication Antennas Up- Link Down Link Up- Link Down Link Satellite Control Center (SCC)* *SCC. The brain of the operation. Supplies computing power and human intelligence. Can be co-located or at a distance.

57 Agosto de 2009 Intelsat 805

58 Agosto de 2009 Cobertura satelital para Colombia Cobertura Zonal Cobertura Hemisférica IS-903 IS-706

59 Agosto de 2009 Cobertura satelital para Colombia

60 Agosto de 2009 Antenas  Prime Focus  Cassegrain  Offset

61 Agosto de 2009 Antenas Andrew 4.6 m Gregorian Vertex 11.1 m Cassegrain Vertex 3.8 m Dual Offset Andrew 3.7 m Transportable

62 Agosto de 2009 Antenas Channel Master 0.75 m Offset RCA 0.60 m Offset Receive Only Patriot 2.8 m Receive Only Prime Focus

63 Agosto de 2009 Enlace Satelital  Elementos básicos  Ruido, Figura de ruido, acumulación.  Reflectores parabólicos.  Ecuación de transmisión  Enlace satelital.  Calidad, Disponibilidad  Diseño del enlace

64 Agosto de 2009 Retardo de propagación Bd Punto de referencia A B Ad

65 Agosto de 2009 = Uplink = Downlink Hub Remota Enlace de comunicaciones

66 Agosto de 2009 Enlace de comunicaciones = Outbound = Inbound HubRemota Para sistemas VSATs

67 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

68 Agosto de 2009 Sinópsis del cómputo de enlace satelital Modem LULU SFD  PIRE S LDLD PIRE E/S B.E.R G/T E/S C/T d C/T sat itm Interferencia cocanal CCI C/T CCI C/T u C/T HPA IM Modem C/T t G/T S Interferencia del satélite adyacente

69 Agosto de 2009 Ecuaciones fundamentales  Densidad de flujo [W/m 2 ]  Definición de C/T Donde: L = Pérdidas de transmisión G/T = Figura de mérito

70 Agosto de 2009 Ecuaciones fundamentales  También:

71 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

72 Agosto de 2009 Pérdidas de transmisión  Donde:  L o = Pérdida en espacio libre  L atm = Pérdidas en atmosfera  L rain = Pérdidas por lluvia  L track = Perdidas por tracking

73 Agosto de 2009 Parámetros de interferencia  Interferencia del satélite adyacente (ASI)  Posible fuente de ruido  Se puede evitar:  Colocar portadoras menos potentes en el borde del transponder

74 Agosto de 2009 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  Carga de tráfico adecuada  Dimensionamiento adecuado del enlace  Disponibilidad  % Ofrecido = %Uplink+% Downlink  99.6% = 99.8%u + 99.8%d  Márgenes:  Gases: ITU-R P676  Lluvia: ITU-R P618-6

75 Agosto de 2009 Calidad y disponibilidad  Calidad : Objetivo Eb/No, C/N, BER.

76 Agosto de 2009 Calidad y disponibilidad  Protección contra errores  Protocolos LLC

77 Agosto de 2009 Calidad y disponibilidad  Calidad  Depende de cada receiver.

78 Agosto de 2009 Enlace Satelital  Es el proceso de dimensionamiento de los trayectos de subida y de bajada  Considera:  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) C/N IM C/N Int Coc, AS C/Un, C/Nd

79 Agosto de 2009 Enlace satelital  Calidad final:

80 Agosto de 2009 Diseño del enlace

81 Agosto de 2009 Diseño del enlace

82 Agosto de 2009 Redes VSAT  Las redes VSAT (Very Small Aperture Terminals) son redes privadas de comunicación de datos via satélite para intercambio de información  Punto a punto  Punto a multipunto  Interactiva

83 Agosto de 2009 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.

84 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.

85 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  Costo inicial Vs. Ganancias a partir del 2o. Año

86 Agosto de 2009 Configuraciones  Estrella  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  Malla  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

87 Agosto de 2009 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.

88 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  Conjunto de canales disponibles  Servicios de punto a punto, fax, datos y videoconferencia

89 Agosto de 2009 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)

90 Agosto de 2009 Acceso al medio

91 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

92 Agosto de 2009 Qué tecnología emplear?

93 Agosto de 2009 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?  Análisis entre comprar o arrendar  Escenarios, servicio, experiencia, corto o largo plazo...