UNIVERSIDAD RAFAEL URDANETASistema de
RadiocomunicacionesProfesor: Gilberto AraujoRealizado por: Natasha
Gonzlez y Andrs Morales
SISTEMAS DE RADIOCOMUNICACIN POR SATLITE
Historia de los satlitesLa historia de lossatlites de
telecomunicacioneses una de las partes ms apasionantes del medio
televisivo. Quizs sea por su intrnseca relacin con el avance humano
que significaron estas invenciones, no slo a nivel de comunicacin
global, sino tambin militar y por la conquista de una parte del
espacio. Los precursores de toda esta ciencia fueron los
satlitesmeteorolgicos, puestos en marcha en 1960 y gracias a los
cuales se han predicho y evitado multitud de catstrofes
naturales.
Tanslo 50 aos ms tarde, nos encontramos en un panorama muy
esperanzador para el futuro de los satlites. Actualmente, se puede
realizar una intervencin mdica desde cualquier parte del mundo,
establecer una comunicacin sonora, geolocalizar personas y la parte
que ms nos interesa en este artculo, transmitir audio y video en
tiempo real desde cualquier parte del planeta.Actualmente es
probable que seamos incapaces de imaginar que ocurrir dentro de
losprximos 50 aos en materiaLa breve historia de los satlites de
televisin que comentamos en este artculo es un resumen delpor qu de
su existencia, los factores sociales y polticos que determinaron su
creacin y descubrimiento en la dcada de los 50-60 y cmo fueron esas
primeras pruebas de operacin de una mquina, hasta entonces
completamente desconocida por el mundo y en la que a priori slo la
URSS crea en sus posibilidades tcnicas espacial, pero la tcnica
continuar avanzando como mnimo a la velocidad actual o cuatro veces
ms rpido. Y una de las ms importantes aplicaciones de los satlites,
como es la militar, seguir siendo totalmente desconocida para la
humanidad con el paso del tiempo.
1945, Guerra Fra. Los Estados Unidos y La Unin Sovitica queran
llegar cuanto antes a la luna y lanzar un satlite. Acababa de
comenzar la carrera por descubrir una de las armas ms poderosas del
Siglo XX. En primer lugar, la necesidad de comunicar de un punto a
otro francamente lejano fue uno de los impulsores de esa tecnologa,
ya que el primer concepto en el que se pens fueron los cables
submarinos, pero se buscaba una alternativa tecnolgica debido a su
elevado coste de implantacin y fabricacin.Tras numerosos estudios
de la atmsfera terrestre con globos que alcanzaban los 30 Km de
altitud (un avin comercial vuela a unos 12 Km como mximo) y pruebas
con algunos cohetes, un 4 de Octubre de 1957 la URSS lanzaba al
espacio el primer satlite del mundo: El Sputnik 1.Tras posicionarse
correctamente en rbita, el satlite emiti unos pitidos por radio que
demostraron el xito de la tecnologa. Desde este momento, el mundo
comenz a cambiar por completo.La recepcin de esaseal de radioen la
tierra supuso un impacto en la poblacin mundial. Desde entonces se
comenz a creer en la tecnologa satelital e invertir a marchas
forzadas para mltiples usos, contemplando a da de hoy desde el
militar o el meteorolgico, pasando por el de reconocimiento hasta
llegar a los satlites de comunicaciones, que son los que nos
afectan directamente televisivamente hablando.
Elprimer satlite activo de comunicacin enlanzado al espacio fue
el Telstar 1, un satlite norteamericano y de construccin privada,
financiado por la archiconocida American Telephone and Telegraph
Company, o simplemente AT&T. Fue lanzado al espacio un 10 de
Julio de1962con dos objetivos principales: Transmitir seales de
televisin y conversaciones a travs del Ocano Atlntico. No era muy
grande, apenas meda algo ms deun metro de altura y pesaba unos77
kilogramos.ElTelstar1 marc un antes y un despus en la recin nacida
era de la televisin. Una de sus primeras pruebas fue hacer posible
la primera llamada de telfono transmitida a travs de un satlite,
algo que cambiara el mundo. La construccin del satlite cost unos$50
millones de dlaresy gracias a su reducido tamao pudo ser lanzado en
un cohete Delta, propiedad de la NASA.Laprimera emisin de televisin
transmitida por satlitees la que podemos ver en este video. Se
realiz desde Andover, en Maine (EE UU) hasta Cornualles
(Inglaterra). En ella se vea la enorme esfera que actuaba de
generador de seal en la parte estadounidense hacia el satlite y cmo
era el aspecto de este primerizo y esfrico habitante espacial que
comenzaba a escribir historia en un medio que vea la luz por
primera vez.
El Echo 1A, el primer satlite de telecomunicaciones lanzado al
espacio con xito, fue una primera prueba para transmitir seales de
radio, telfono y televisin en 1960. En la imagen podemos verel
enorme tamao de su satlite sucesor, el Echo IIcomparado con el de
una persona. Anterior al Telstar 1, simplemente actu como un espejo
reflector, ya que no tena mayor capacidad que la de recibir una
seal y rebotarla a la tierra. De hecho, estos satlites tenan un
tiempo muy limitado de operacin, debido a que eran subidos a
unarbita muy cercanaa la Tierra. En concreto, el Telstar 1 estaba
situado a una altura que dibujaba una rbita elptica que completaba
cada2 horas y 37 minutos exacta, por lo queslo estaba operativo
durante 20 minutosen cada vuelta que daba sobre el planeta
tierra.Gracias a l se transmiti laprimera llamada de telfono por
satlite de la historia, y como hemos comentado, la primera
retransmisin de televisin por satlite. Adems, se consiguieron
transmitir datos y algunos faxes entre dos puntos. Sin embargo, la
aventura dur slo unos pocos meses. El Telstar dej de funcionar un
21 de Febrero de 1963, tras haber perdido la comunicacin en varias
ocasiones, aunque anterior a esta fecha, los tcnicos pudieron
recuperarlo, pasando por una etapa en la que el Telstar enviaba
datos de forma intermitente hasta el final de su vida til.Un da
antes del lanzamiento del Telstar 1, el 9 de Julio de 1962 el
gobierno de Estados Unidos realiz unaprueba nuclear en el
espacioconocida como Starfish Prime. Lanzaron una bomba atmica a
unos 400 Km. de altitud sobre una isla del Pacfico en lo que a
priori comprenda un objetivo de investigacin. Dicha prueba se
considera estratosfrica por suceder fuera de la atmsfera terrestre,
sin embargo, la radiacin qued presente all fuera.
Elcinturn donde orbitaba el Telstar 1 qued sobrecargado de
energa, por lo que se cree que los aparatos del satlite dejaron de
funcionar seis meses ms tarde en gran parte debido a los daos
producidos por la radiacin que recibieron procedente de los restos
de esta prueba. Meses ms tarde se lanz al espacio el Telstar 2, con
algo de mayor suerte, y a partir de aqu se marc un serio comienzo
de la carrera espacial por los satlites.
El costo de la construccin y lanzamiento de un satliteLos
satlites no son negocio barato.Cuestan mucho dinero para disear,
construir, lanzar y controlar.Cunto dinero? Si usted tiene por lo
menos $ 290 millones en su cuenta bancaria, con el dinero puede ir
a hacer un satlite que puede rastrear y monitorear los
huracanes.Aadir alrededor de $ 100 millones de dlares ms si quieres
un satlite que lleva un dispositivo de misiles de alerta.Que hace
que los satlites sean tan caros?Algunos de los factores que
impulsan el costo de los satlites son los equipos y materiales
utilizados para su construccin.Los transpondedores solo cientos de
miles de dlares al ao para mantener, mientras que el costo de ancho
de banda por MHz tiene un precio de un mnimo de alrededor de $
3.500 por mes.El funcionamiento de un satlite en un ancho de banda
de 36MHz costar ms de $ 1.5 millones al ao.Tambin estn los otros
aparatos y equipos que tienen que ser incorporado en el satlite con
el fin de que ste cumpliera con su funcin.Estos se incluyen
ordenadores, programas informticos y cmaras. Otro factor que
contribuye a los gastos asociados con los satlites es el costo de
poner uno en rbita.Se estima que un solo lanzamiento del satlite
puede variar en costo desde un mnimo de cerca de $ 50 millones a un
mximo de alrededor de $ 400 millones.El lanzamiento de una misin
del transbordador espacial puede costar fcilmente $ 500 millones de
dlares, aunque una misin es capaz de realizar mltiples satlites y
enviarlos en rbita.Tambin hay que considerar en el costo de los
satlites es su mantenimiento.Despus de conseguir uno en rbita, que
tiene que ser controlada de una instalacin de suelo, lo que
requerir mano de obra.Tambin satlites no son impermeables a los
daos o los tiempos de parada.Por otra parte, si las cosas no van
demasiado bien durante un lanzamiento, un multi-millones de
esfuerzo puede terminar ya sea en pedazos o sostener daos que le
costar ms dinero para reparar. Algunas de las empresas de satlites
superior en los EE.UU. son Hughes, Boeing, Bola Aerospace &
Technologies Corp. y Lockheed Martin
EstructuraUn sistema de comunicacin por satlite est constituido
por uno o ms satlites, uno o ms centros de control de los mismos y
estaciones terrenas que se comunican entre s a travs de los
primeros.SUBSISTEMAFUNCIN
AntenasRecibir y transmitir las seales de radiofrecuencia desde
o hacia las direcciones y zonas de cobertura deseadas.
ComunicacionesAmplificar las seales recibidas, cambiar su
frecuencia y entregrselas a las antenas para que sean
retransmitidas hacia la Tierra. Posibilidades de conmutacin y
procesamiento.
Energa elctricaSuministrar electricidad a todos los equipos, con
los niveles adecuados voltaje y corriente, bajo condiciones normal
y tambin en los casos de eclipses.
Control trmico Regular la temperatura del conjunto, durante el
da y la noche.
Posicin y orientacinDeterminar y mantener la posicin y
orientacin del satlite. Estabilizacin y orientacin correcta de las
antenas y paneles de clulas solares.
PropulsinProporcionar incrementos de velocidad y pares para
corregir las desviaciones en posicin y orientacin. ltima etapa
empleada para la colocacin del satlite en la rbita geoestacionaria
al inicio de su vida til.
Rastreo, telemetra y comando Intercambiar informacin con el
centro de control en tierra para conservar en funcionamiento del
satlite. Monitoreo de su estado de salud.
EstructuralAlojar todos los equipos y darle rigidez al conjunto,
tanto durante el lanzamiento como en su medio de trabajo.
El satlite recibe seales de las estaciones terrenas con
capacidad de emisin, las convierte y las transmite a la zona o
zonas de cobertura donde las reciben otras estaciones terrenas que
formen parte de la misma red.
El centro de control tiene como funcin principal vigilar,
consiste en todas las instalaciones terrenas que se encargan de la
monitorizacin de los satlites, adems la gestin del trfico y
recursos del satlite. A las estaciones del segmento de control
tambin se les suele denominar TTC (Comando de seguimiento de
telemetra / Tracking telemetry command).
Segmento Terrestre: est constituido por las estaciones
terrestres de trfico (usuarios) y de control de trfico de un
sistema de satlites de comunicacin.
El Segmento espacial est comprendido por el satlite en s, y sus
partes generales son las siguientes: 1. Plataforma o bus, donde se
encuentran los subsistemas trmicos, estructural, de potencia,
etc.2. Carga til o payload, conformado por un repetidor RF
estructurado en transpondedores (amplifican y convierten en
frecuencia).
Orbitas Una forma de diferenciar los sistemas de satlites, es
por la altura a la que se encuentra la rbita por la que circulan,
adems sta tambin influir de forma decisiva a la hora de obtener el
nmero de satlites necesario para conseguir la cobertura deseada.
Dado cierto ancho de haz, el rea de cobertura ser mucho menor
estando en una rbita baja que en otra de mayor altura. Por otro
lado la potencia necesaria para emitir desde rbitas bajas es menor,
con los inconvenientes que ello conlleva. Entonces se intentar
alcanzar un compromiso que nos de una relativamente buena zona de
cobertura y una potencia de transmisin lo menor posible.Se pueden
diferenciar cutro tipos de rbitas segn sus altitudes:
GEO: rbitas Terrestres Geosncronas, tambin conocida como rbita
de Clarke, en honor al escritor Arthur Clarke, que escribi en 1945
por primera vez de esta posibilidad. La rbita GEO est situada a
35848 Km. De altura, con una latitud de 0 grados, es decir, situada
sobre el Ecuador. El perodo de esta rbita es de exactamente 24
horas y por lo tanto estar siempre sobre la misma posicin relativa
respecto a la Tierra. La mayora de los satlites actuales son GEO.
Los satlites GEO (satlites que viajan en rbitas GEO) precisan menos
cantidad de ellos para cubrir la totalidad de la superficie
terrestre, pero poseen un retardo de 0,24 seg. Por da, de ah que no
tardan exactamente un da en cubrir una vuelta entera a la Tierra,
debido al camino de ida y de vuelta que debe recorrer la seal. Los
satlites GEO necesitan tambin obtener unas posiciones orbitales
especficas alrededor del Ecuador para mantenerse lo suficientemente
alejados unos de otros (unos 2 grados aproximadamente) para evitar
posibles interferencias intersatlite. La ITU y la FCC se encargan
de administrar estas posiciones.
MEO: rbita Terrestre Media. Se encuentran a una altura de entre
10075 y 20150 Km. A diferencia de los GEO su posicin relativa
respecto a la Tierra no es fija. Debido a su menor altitud se
necesitarn ms satlites para cubrir la superficie terrestre, pero
pro contra se reduce la latencia del sistema de forma
significativa. En la actualidad no existen muchos MEO, y se
utilizan principalmente para posicionamiento.
LEO: rbita Terrestre de Baja altura. Los satlites encauzados en
este tipo de rbitas son de tres tipos, LEO pequeos (centenares de
Kbps) destinados a aplicaciones de bajo ancho de banda, LEO grandes
(miles de Kbps) albergan las aplicaciones de los anteriores y otras
como telefona mvil y transmisin de datos y finalmente los LEO de
banda ancha (megaLEO) que operan en la banda de Mbps entre los que
se encuentre Teledesic.
La puesta en rbita de satlites LEO presenta problemas tales
como:1. Saturacin de las rbitas: elevada cantidad de satlites ya
existentes en esa zona y elevado nmero de proyectos de lanzamientos
de satlites de este tipo.2. Chatarra espacial: dificultadas para la
buena circulacin debido a restos de otros satlites en la zona.3.
Prdida y sustitucin de satlites: cabe la posibilidad de que estos
satlites caigan en la atmsfera al terminar su vida til y se
desintegren en la misma. Adems habr que tener en cuenta una poltica
de sustitucin de este tipo de satlites pues estn expuestos a
mltiples peligros, incluso antes del final de su vida til.4.
Visibilidad del satlite: se debe poder seguir la pista a estos
satlites que viajan a gran velocidad, luego este tipo de satlites
slo ser visible 18-20 min. antes de aparecer por el horizonte.5.
Problema de la antena: se resuelve utilizando una antena del tipo
array en fase, que son dispositivos autodirigidos capaces de seguir
el rastro de varios satlites a la vez sin moverse fsicamente, por
medio de seales levemente diferentes recibidas en la antena. Con
este tipo de antenas desaparece el problema de mantener un enlace
activo cuando perdemos la visin del satlite manteniendo como mnimo
dos satlites a la vista en todo momento, siendo la antena
consciente de iniciar un nuevo enlace antes de cortar el ya
existente.6. Direccionamiento mediante enlaces intersatlites: este
problema se produce al direccionar la seal entre dos puntos
alejados de la superficie terrestre. Una posible solucin sera
direccionarlo a travs de estaciones terrenas, otra posibilidad que
es la empleada por Teledesic sera direccionarla a travs de los
satlites.
Cobertura (geoestacionarios): Haz Global Un tercio de la
superficie terrestre Haces perfilados (Hemi-Zone) 1/6 superficie
terrestre Haz Puntual o restringido (Spot): Hasta 1 800Km2
Cobertura geomtrica: parte de la superficie terrestre que se ve
desde el satlite Cobertura radioelctrica: la geomtrica reducida en
los bordes unos 5 para evitar obstculos y ruido terrestre.
Acceso Mltiple:El acceso mltiple al satlite (que a veces se
llama destino mltiple) implica que ms de un usuario tiene acceso a
uno o ms canales de radio (transpondedores) dentro de un canal de
comunicaciones va satlite. En forma caracterstica, una empresa u
operadora comn renta los transpondedores con el fin de proporcionar
transmisin de voz o de datos a una multitud de usuarios. El mtodo
por el cual se usa o accede el ancho de banda de un transpondedor
depende del mtodo de acceso mltiple que se use.
FDMA (Acceso Mltiple por Divisin de Frecuencia):En el FDMA, a
las transmisiones de cada estacin terrestre se les asignan bandas
de frecuencia especificas de enlace de subida y de bajada, dentro
del ancho de banda asignado al satlite; pueden ser preasignadas o
asignadas por demanda. En consecuencia, las transmisiones FDMA se
separan en el dominio de la frecuencia y, por consiguiente, deben
compartir ancho de banda total del transpondedor as como la
potencia total del transpondedor.
TDMA (Acceso Mltiple por Divisin de Tiempo):Cada estacin terrena
utiliza la misma parte de la capacidad en frecuencia del
transpondedor que las otras, pero en un intervalo de tiempo
distinto, sincronizado y de duracin usualmente fija, que se repite
en cada trama, durante el cual se transmite un grupo de dgitos
comnmente llamado rfaga, similar al caso del multiplaje por divisin
en el tiempo. Es una tcnica totalmente digital mediante la cual
varias estaciones terrenas acceden u ocupan un transpondedor o
parte de l.
ALOHA:El sistema ALOHA puro, desarrollado en la Universidad de
Hawi, permite un mximo de 18,4% de utilizacin total de la capacidad
del canal. El sistema ALOHA ranurado es ms complejo, ya que en
lugar de que la transmisin de los paquetes se realice en cualquier
momento, se establecen ranuras de tiempo, pero sin preasignacion
para cada estacin, por lo que cualquier estacin puede ocupar
cualquier ranura, Cada estacin puede transmitir solo al empezar el
intervalo de una ranura de tiempo, requirindose cierta
sincronizacin con las dems, por lo tanto que es una tcnica que
disminuye lo aleatorio de las emisiones. En esta forma no existen
colisiones parciales, es decir, las rfagas llegan a su destino sin
interferencia o son interferidas totalmente por otra rfaga,
logrndose una capacidad mxima de utilizacin de 36,8%, el doble que
en el sistema puro. La figura siguiente muestra el comportamiento
de ambas modalidades al aumentar la demanda de trafico de la red,
as como el lmite terico, el cual representa la utilizacin que se
lograra de un canal si no hubiera colisiones al aumentar los
paquetes que tratan de transmitir las estaciones.
Seales de Banda Base y su tratamiento La informacin que se desea
transmitir por satlites debe estar contenida en las seales
analgicas o digitales que constituyen la banda base, para despus
imprimirla en la onda portadora, siendo muchas veces necesario o
conveniente someterlas a diversos tratamientos y conversiones.Entre
las conversiones ms comunes de las seales en banda de base se
encuentran las siguientes: Adaptacin o acondicionamiento de las
seales que mejora la eficiencia de la transmisin de la informacin y
su calidad en el punto de recepcin. Conversin analgico digital, de
tal manera que valores explorados en secuencia de las ondas de las
seales analgicas se representen por combinaciones de pulsos en
secuencia, de acuerdo con reglas precisas. Compresin digital, que
permite que las seales digitales puedan ser transmitidas ocupando
una menor anchura de banda. Cifrado o criptado, mediante una
codificacin superpuesta, para evitar que la informacin transmitida
sea interpretada y utilizada por otros que no sea el destinatario.
Codificacin del canal, agregando bits adicionales a las seales
digitales, con el fin de aplicar mtodos de deteccin y correccin de
errores para reducirlos sustancialmente en el destino, haciendo las
seales recibidas ms resistentes al ruido y a interferencias.
Multiplaje, a fin de que mltiples canales de informacin se combinen
en una sola seal de banda base, mejorando diversos parmetros de la
comunicacin.Una vez convertidas en la forma deseada, la secuencia
de informacin de la seal en banda base se imprime en una portadora
de radiofrecuencia mediante el proceso de modulacin.Bandas de
frecuencias:Los satlites de comunicacin pueden operar a una amplia
gama de frecuencias, estas son determinadas por la UIT, en forma
exclusiva para estos, o en forma compartida con otros servicios,
quedando a cargo del gobierno de cada pas asignrselas a operadores
especficos.Cada banda de frecuencias para satlites dispone de una
parte de la misma para los enlaces ascendentes tierra- satlite y
otra para los enlaces descendentes satlite tierra, a fin de evitar
interacciones inconvenientes.Bandas: Se utilizan las bandas Ku
12-18 GHz (Ej, 14/11, 17/12) y C 4-8 (Ej, 6/4) Se comienza a
utilizar la banda Ka 26.5-40GHz En comunicaciones mviles se trabaja
en la banda L 1-2 GHz y S 2-4 GHz Para comunicaciones entre
satlites y TTC se utiliza la banda S 2-4 GHz
Trayecto digital ficticio de referencia para el servicio fijo
por satlite:
