CAPCAPÍÍTULO 7TULO 7

SISTEMAS DE RADIOCOMU�ICACIÓ�

POR SATÉLITE

2

OBJETOOBJETO

� Establecimiento de radioenlaces entre estaciones fijas o móviles, a través de repetidores activos o pasivos, situados en órbita alrededor de la Tierra.

TIPOS DE SERVICIOS DE RADIOCOMUNICACITIPOS DE SERVICIOS DE RADIOCOMUNICACIÓÓN N POR SATPOR SATÉÉLITELITE

� Servicio fijo por satélite (FSS: Fixed Satellite Service) Entre múltiples puntos fijos.

� Servicio móvil por satélite (MSS: Mobile Satellite Service) Entre estaciones de base fijas y terminales móviles.

� Servicio de radiodifusión por satélite (BSS: BroadcastSatellite service) Entre un transmisor y múltiples puntos de recepción.

3

OTROS SERVICIOSOTROS SERVICIOS

� Meteorología por satélite.

� Exploración de la Tierra por satélite.

� Localización por satélite (GPS, Galileo).

� Telemando y telemedida (VSAT).

� Radioaficionados por satélite.

4

ASPECTOS OPERACIONALES Y ECONASPECTOS OPERACIONALES Y ECONÓÓMICOSMICOS

� Gran cobertura con elevada calidad y estabilidad de funcionamiento.

� Retardo de propagación.

� Limitación de potencia.

� Potencial de interferencia descendente.

� Asimetría de los enlaces ascendente (UL) y descendente (DL).

5

� Necesidad de muy alta fiabilidad.

� Coste elevado (satélite, reservas, lanzamiento).

� Arcos orbitales limitados.

� Limitación latitud geográfica estaciones terrenas.

� Vida limitada (combustible, corrección orbital).

� Consorcios internacionales (INTELSAT, INMARSAT, EUTELSAT).

6

ESTRUCTURA SISTEMA RADIOCOMUNICACIESTRUCTURA SISTEMA RADIOCOMUNICACIÓÓN N POR SATPOR SATÉÉLITELITE

7

CARACTERCARACTERÍÍSTICAS BSTICAS BÁÁSICAS DEL SEGMENTO SICAS DEL SEGMENTO ESPACIALESPACIAL

� Modo de propagación: espacio libre.

� Márgenes de desvanecimiento reducidos.

� Atenuación por gases atmosféricos y lluvia.

� Influencia de otros factores: centelleo, nubes.

� Elevado retardo de propagación.

8

RECURSOS SISTEMA RADIOCOMUNICACIRECURSOS SISTEMA RADIOCOMUNICACIÓÓN POR N POR SATSATÉÉLITELITE

1. Órbita - Espectro� Tipos de órbitas:

– GEO: Geoestacionaria– MEO y LEO: Órbitas medias y bajas, para aplicaciones

móviles.

� Arcos orbitales:Diferente utilidad/valor, según la zona geográfica subyacente.

� Espectro limitado:Reutilización de frecuencias. Potencial de interferencias mutuas.

9

2. Cobertura geográfica� Depende del tipo de haz de la antena del satélite.

– Haz global (Global beam) ~ 1/3 superficie terrestre.– Haz perfilado (Shaped beam): un país o una región

ampliada.– Haz restringido (Spot beam): un país o una región

limitada, una gran área urbana.

3. Conectividad� Posibilidad de enlace entre múltiples estaciones.

10

4. Multiacceso� Compartición de recursos, para simultaneidad de

enlaces, por multiplexación.– FDMA (Frequency Division Multiple Access)

Múltiples portadoras - Sistemas analógicos.– TDMA (Time Division Multiple Access)

Portadora única, trama temporal - Sistemas digitales.– DAMA (Demand Assignment Multiple Access)

Acceso por demanda.– SCPC (Single Channel Per Carrier)

Variante de DAMA de un solo canal por portadora.

11

5. Anchura de Banda� Limitada y compartida parcialmente con radioenlaces

terrenales.

� Bandas C (6/4 GHz), Ku (14/11 GHz) y Ka (30/20 GHz) UL/DL

� Reutilización intensa con separación espacial y de polarización.

6. Potencia� PIRE función del tipo de servicio y capacidad.

� Limitación por densidad de flujo de potencia sobre la Tierra para control de interferencias.

12

GEOMETRGEOMETRÍÍA DEL ENLACEA DEL ENLACE

� Características de la órbita geoestacionaria:– Unicidad: recurso natural de la Tierra.– Órbita circular en plano ecuatorial.– En ella el satélite gira con la misma velocidad angular que

la de rotación de la Tierra.– Periodo orbital: 23 h, 56 min, 4,1 s = 86.164,1 s.– El satélite mantiene una posición relativa fija respecto de

la Tierra.

13

� Parámetros orbitales– Altitud de la órbita sobre la Tierra: Ro = 35.786 km.– Radio terrestre ecuatorial: Re = 6.378 km.– Distancia de la órbita al centro de la Tierra: R = 42.164 km.

14

� Orientación de antena y distancia real satélite - Tierra

– Datos:Longitud satélite: φsat

Longitud ET: φET

Longitud relativa: φ = φET - φsat

Latitud ET: λ

15

– Ángulo auxiliar

– El ángulo acimutal de orientación , se calcula según la situación de la ET con relación al punto sub-satélite.

= −

senλ

tgtgE

ϕ1ˆ

A

360 -SE

SW

180 + NE

180 -NW

Ángulo .Cuadrante A

E

E

E

E

16

– El ángulo de elevación, es:

– La distancia satélite - ET, es:

[ ]λϕ

θ

·coscoscos

)/(cos

1

1

−

−

=

−=

a

asen

RRatg e

( ) ( )[ ] 2/12 cos/2/1 aRRRRRd ee −+=

17

EJEMPLOEJEMPLO

� Satélite español HISPASAT 1D situado a φsat = 30 ºW (-30)

� Recepción en Madrid: φET = 3,5 ºW (-3,5); λ = 40,5 ºN (40,5)

– Ángulo φ = -3,5 - (-30) = 26,5º– Situación ET : Cuadrante NE

– Ángulo

– Ángulo acimutal = 180 + 37,5 = 217,5º

º5,3740,5sen

26,5 tgtgE 1 =

= −

A

18

– Ángulo a:

– Ángulo de elevación:

– Distancia

[ ] º1,475,40·cos5,26coscos 1 == −a

º8,351,47

164.42/378.61,47cos1 =

−= −

sentgθ

km 110.381,47cos · 167.42

378.6·2

164.42

378.61 · 164.42

2/12

=

−

+=d

19

ÁÁNGULOS LNGULOS LÍÍMITEMITE

� Para ángulo de elevación θ = 0º, con φ = 26,5º

- Distancia

� Para ángulo de elevación θ = 0º, con λ = 40,5º

- La distancia es la misma

km 679.41164.42

378.61 · 164.42

2/12

=

−=d

º3,80

1685,05,26cos

264.42/378.6

cos

/cos -

=

===

λ

ϕλ

RRe

º5,78

1989,05,40cos

264.42/378.6

cos

/cos -

=

===

ϕ

λϕ

RRe

20

ECLIPSES DE SATECLIPSES DE SATÉÉLITE LITE

� El satélite se mueve en un plano perpendicular a la figura.

� En los equinoccios (primavera, otoño) sufre eclipses de unos 77 min/día durante algunos días.

� En estos casos debe funcionar con sus baterías de reserva.

21

INTERFERENCIA SOLARINTERFERENCIA SOLAR

� Se produce cuando el Sol penetra en el haz de la antena de recepción de la Estación Terrena.

� La interferencia solar aumenta la temperatura de ruido de la antena, lo cual bloquea la recepción.

22

INCREMENTO DE INCREMENTO DE TTaa POR INTERFERENCIA SOLARPOR INTERFERENCIA SOLAR

GHz) 303,0(

3,2

3,2

)1,0(6log2

1 · 10·96,1

:

º5,0

º5,0 )/5,0·(

5

2

<<

−

+=

<=∆

>=∆

f

fsen

fT

TT

TT

sun

e

esuna

eesuna

π

θ

θ

θθ

mitad potencia para haz del Anchura

23

EJEMPLOEJEMPLO

� Antena de 18 m, frecuencia f = 4 GHz

Kº 000.50

50

Kº 000.503,2

3,2

9,3·6log2

1 · 4

10·96,1

º29,018

000.4/300 · 7070

5

==

<

=

+=

===

suna

e

sun

e

T∆T

, θ

sen

T

D

como

π

λθ

24

MULTIACCESO TDMAMULTIACCESO TDMA

25

� Estructura temporal jerárquica.– Trama ( Frame)– Intervalos (Slots)– Ráfagas ( Bursts)

26

� Campos de la ráfaga genérica– Periodo de guarda: Gi símbolos– Preámbulo: Pi símbolos– Información de usuario: Ii símbolos– Epilogo: Qi símbolos

� Periodo de símbolo: Ts = Tb·log2 M– Tb: periodo de bit.– M: Número de niveles de modulación.

� Periodo de trama: Tt

27

� Parámetros de TDMA

– Rendimiento del intervalo:

– Símbolos de información por trama:

– Símbolos de tara por trama:

– Rendimiento de la trama:

iiii

ii

QIPG

I

+++=η

i

�

i

II ∑=

=1

)(1

iii

�

i

ref QPGSO +++= ∑=

OI

It

+=η

28

– Duración del intervalo:

– Velocidad media usuario i-ésimo:

– Velocidad instantánea:

– Número N de usuarios:

)·( iiiissi QIPGTT +++=

t

ii

T

Iv =

tT

OIv

+=

siiii

�

i

reft TQIPGST · )(1

++++= ∑

=

29

EJEMPLOEJEMPLO

Datos: – Vb = 120 Mbit/s ; modulación QPSK ; M = 4 ; Tt = 4 mseg.– 2 Estaciones de referencia con 2 x 288 símbolos.– Periodo de guarda 200 ns.– Intervalos iguales.– Preámbulo P = 280 símbolos.– Información por intervalo: 10 canales PCM de 64 kbit/s.– Epílogo Q = 20 símbolos.

Resultados pedidos:– Rendimiento del intervalo.– Número de usuarios.– Rendimiento de la trama.

30

RESOLUCIRESOLUCIÓÓNN

1) Periodo de símbolo

2) Símbolos por intervalo

µs 60

1

120

4log==sT

( )

símbolos 300 -

símbolos 1.280 mseg 4/seg)(ksímbolos 2

640 -

esequivalent símbolos12µs 1/60

µs 2,0 -

=+

==

==

QP

x I

G

31

3) Rendimiento intervalo

4) Número de usuarios

5) Rendimiento trama

[ ]

usuarios 150 3,150

N·1.5922·288 · 60

104

3

⇒=

+=−

�

80,2% 802,0592.1·150576

150·280.1⇒=

+=tramaη

%4,80 804,020280.128012

280.1⇒=

+++=η

32

CALIFICACICALIFICACIÓÓN ESTACIONES TERRENASN ESTACIONES TERRENAS

TelefoníaTDM / QPSK / TDMA

14/11 (Ku) 14/12 (ku)

337,0C

TelefoníaSCPC / QPSK

6/4 (C)11 -13

31,7B

Telefonía - TV FDM / FM / FDMA

6/4 (C)> 1635,0A

Aplicación

MultiaccesoBandas (GHz)D (m)G/T (dB/K)Estándar

Se basa en el factor de calidad G/T

33

Aplicación

MultiaccesoBandas (GHz)D (m)G/T (dB/K)Estándar

IBS6/4589

22,727,029,0

F1F2F3

IBSInternational Business

ServicesTDM / QPSK / FDMA

14/1114/12

3,559

252934

E1E2E3

34

InternetTV internacional

Radiodifusión

6/414/11

12

4 m-

614

G

BSS IndividualBSS Comunal

Aplicación Multiacceso

Bandas (GHz)D (m)G/T (dB/K)Estándar

35

CCÁÁLCULO DE G/T EN ESTACIONES TERRENAS LCULO DE G/T EN ESTACIONES TERRENAS EN GENERALEN GENERAL

1) Contribuciones de ruido de los circuitos de entrada

36

Temperatura equivalente de la antena

a) Con cielo despejado

b) Con lluvia

( )[ ] ( ) ( )w

wT

waa

gaaTT

w

gTT w

lg

lslgats

lsg

a

11 · 1

·1

−+

−−++=

( )[ ] ( ) ( )w

wT

wa

gaTT

w

gTT w

g

lsgats

lsg

a

11 · 1

·0

−+

−−++=

37

2) Contribución de ruido del receptor

3) Temperatura del ruido del sistemaT = Ta + Tr

( )L�A

PAL�Aor

g

lllTlllTlllTT 321321321 1 ++−=

38

CCÁÁLCULO DE G/T PARA ANTENAS DE RADIODIFUSILCULO DE G/T PARA ANTENAS DE RADIODIFUSIÓÓN N POR SATPOR SATÉÉLITELITE

Temperatura equivalente de ruido en P

Ganancia referida a P

β: Reducción de ganancia por desapuntamiento

( ))1(

1−+

−+= ro

oaeq fT

l

lT

l

TT

αββ ··1 · · antant gl

gg ==

39

� Relación G/T

Ejemplo:Antena de 1 m de diámetro, eficiencia 50 % a 11 GHz β = 0,8

Gant = 38,77 dB Ta = 150 KL = 0,5 dB Fr = 4 dB

G/T = 38,7 -0,5 + 10·log 0,8 - 10·log 603,2 = 9,4 dB/K

( ) ( )(dB/K)

1 1

·log10

−+−+=

oroa

ant

TfTT

g

T

G

αα

βα

40

MODELO DE ENLACE POR SATMODELO DE ENLACE POR SATÉÉLITE PARA LITE PARA EVALUACIEVALUACIÓÓN DE LA CALIDADN DE LA CALIDAD

41

BALANCES DE LOS ENLACESBALANCES DE LOS ENLACES

� Enlace ascendente

� Enlace descendente

� Pérdidas adicionales

L = Lat + Lllu + Lpol + Lpunt

(dBHz) ·log10 kT

GLLIBPIRE

�

C

es

raabfa

ao

−+−−+=

(dBHz) ·log10 kT

GLLOBPIRE

�

C

et

rddbfdd

do

−+−−+=

42

� Sistemas analógicos. Suele emplearse C/N

� Sistemas digitales. Suele emplearse Eb/No

(Hz) ·log10 B�

C

�

C

o

−

=

(Bit/s) ·log10 b

oo

b V�

C

�

E−

=

43

CCÁÁLCULO DEL RUIDO DEL ENLACELCULO DEL RUIDO DEL ENLACE

44

RELACIRELACIÓÓN PORTADORA/RUIDO TOTALN PORTADORA/RUIDO TOTAL

Se evalúa su inversa para aplicar la adición de ruidos

a

a

d

IM

d

d

t

d

d

d

IM

eda

eda

d

dIMeda

t

c

n

c

n

c

n

c

n

c

n

c

n

lgc

lgn

c

nnlgn

c

n

++=

++=++

=

/·

/·/·

45

� Para sistemas analógicos

� Para sistemas digitales

1111 −−−−

+

+

=

doIMoaoto n

c

n

c

n

c

n

c

111 −−−

+

=

do

b

ao

b

to

b

n

e

n

e

n

e

46

CALIDAD PARA ENLACES DIGITALESCALIDAD PARA ENLACES DIGITALES

� Se determina la relación Eb/No para la tasa de errores BER objetivo.

� Se expresa Eb/No en función de la relación portadora/temperatura de ruido total.

donde Rb es la tasa de bits.

(bit/s) log106,228dBt,dB

b

o

b RT

C

�

E−+

=

47

EJEMPLO DE ENLACE DIGITALEJEMPLO DE ENLACE DIGITAL

Banda 14/11 GHz ; Rb = 120 Mbit/s ; Satélite ECS

- Enlace Ascendente

24,4

-80,8

105,2

-228,6

-123,4

-5,3

-0,6

-207,5

90

+64

-7

+33

dB(Eb/No)a

dBs (-10·log (120·106))1/Vb

dBHz(C/No)a

dBW/K-HzK

dBW/K(C/T)a

dB/KG/Tsat

dBLa

dBLbfa

dBWPIRE

dB (antena de 15 m a 14 GHz)Gta

dBPerdidas

dBWPta

48

- Enlace Descendente

dB-0,6Perdidas

dBW40,8PIREsat

19,7

-80,8

100,5

-228,6

-123,4

37,7

-0,4

-205,6

dB(Eb/No)d

dBs1/Vb

dBHz(C/No)d

dBW/(K-Hz)K

dBW/K(C/T)a

dB/K (GET = 62 dB; T = 270 K)G/TET

dBLd

dBLbfd

49

- Relación Eb/No total

� Probabilidad de error despreciable

dB 4,18

71,69

0143,033,93

1

42,275

11

=

=

=+=

−

to

b

to

b

to

b

�

E

n

e

n

e

50

RADIODIFUSIRADIODIFUSIÓÓN ANALN ANALÓÓGICA POR SATGICA POR SATÉÉLITELITE

� Relación Señal/Ruido

(C/N)tot: Relación portadora/ruido para el enlace globalI: Factor de mejora de FM

P+W: Ganancia de-énfasis y ponderación videométrica (16,3 dB)∆fpp: Excursión de frecuencia de cresta a crestaBT: Anchura de bandafv: Frecuencia de video

)( WPI�

C

�

S

totvo

+++

=

v

T

v

pp

f

B

f

fI

2

2

3

∆=

51

L: Degradación debida a la influencia del enlace ascendente

L�

C

�

C

edescendenttot

+

=

( )( )

( ) ( )

−+−=

=

−

10

//log1·log10

/

/·log10

1 ad

d

t

�C�CL

nc

ncL

52

SISTEMAS VSATSISTEMAS VSAT

� Para aplicaciones de control distribuido con una estación central (HUB) y múltiples terminales en una amplia zona geográfica.

� G/T elevada en el HUB y G/T reducida en los terminales (antenas de pequeña abertura y tamaño).

� Sistemas SCADA (Supervisor Control And Data Acquisition)

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� Ventajas: – Accesibilidad de los terminales.– Facilidad de instalación.– Escalabilidad.– Adaptación a tipos de tráfico.– Calidad y disponibilidad elevadas

� Multiacceso: TDM/TDMA

54

ESQUEMA DE RED VSATESQUEMA DE RED VSAT

55

PROCEDIMIENTO DE TRANSMISIPROCEDIMIENTO DE TRANSMISIÓÓNN

� FA/TDMA (asignación fija): Utilizado cuando la RTU tiene tráfico continúo de datos. se reserva un intervalo (slot) de tiempo dentro de la trama, exclusivamente para ella.

� RA/TDMA (acceso aleatorio): La RTU puede transmitir cuando quiera, utilizando la técnica ALOHA ranurado.

� DA/TDMA (asignación por demanda): En este procedimiento, cuando una RTU tiene datos que transmitir, pide al sistema la reserva de un intervalo de tiempo para poder hacerlo. Existen típicamente dos clases.

56

� RM/TDMA (modo con reserva): en el cual, para un intervalo de tiempo, se utiliza el procedimiento ALOHA ranurado, sin transmisión inicial de parte del mensaje.

� AA/TDMA (asignación adaptable): igual que el anterior, pero con transmisión inicial de parte del mensaje.