Comunicaciones Satelitales

Los satélites en el espacio exterior están tomando imágenes, datos meteorológicos, brindando localizaciones GPS, comunicación. Por definición un satélite artificial es cualquier cosa que esté orbitando alrededor el algo. Para las comunicaciones satelitales usamos satélites artificiales especializados en la transmisión y recepción inalambrica de datos para poder brindar servicios.

La solución satelital para las telecomunicaciones es una alternativa, y no es mejor ni peor que otra tecnología; entre las principales ventajas tenemos:

  • Gran cobertura geográfica con capacidad de brindar un alcance regional, nacional, continental o intercontinental.
  • Entrega simultánea de información a un número ilimitado de estaciones, esta característica es aprovechada por la TV satelital.
  • El costo de implementación es independiente de la distancia.
  • Rápida instalación de las redes.
  • El acceso es por igual independiente de la ubicación donde nos encontremos.
  • Inmunidad a la saturación del espectro radioeléctrico terrestre.
  • Sistema confiable en un 99.9%
  • Ante una emergencia o desastre, el sistema satelital puede ser levantado en cuestión de minutos.

Un Sistema Satelital está compuesto por un HUB que generalmente se encuentra en el Network Operations Center (NOC), una o varias antenas de gran capacidad, uno o varios satélites, antenas de menor capacidad y un módem en las estaciones remotas.

Network Operations Center – NOC

Es el lugar físico desde donde se monitorea, controla y maneja la red satelital, para este propósito el personal del NOC usa un Network Management System – NMS, el cual es un software que da la posibilidad de monitorear y administrar los equipos de la red de forma remota.

NOC Media Networks – Lurin, Peru (Fuente: www.panoramaaudiovisual.com)
NMS iMonitor

HUB

El HUB es el hardware necesario para procesar la información enviada hacia la estación remota y la información recibida de la estación remota.

Hay 4 términos importantes que se deben recordar:

  • Inbound, Upstream o Inroute: Es la información desde la estación remota hacia el HUB.
  • Outbound, Downstream o Outroute: Es la información desde el HUB hacia la estación remota.
  • Uplink: Es la información transmitida desde la estación terrena hacia el satélite.
  • Downlink: Es la información desde el satélite hacia la estación terrena.

El HUB está principalmente compuesto por:

  • Modulator y Demodulator: Estos bloques son los encargados de realizar las distintas modulaciones a las señales de outbound e inbound, además provee el tipo de Forward Error Correction – FEC a usarse.
  • Processor: Es la parte central del HUB encargado de realizar el procesamiento de la información.
  • Band Base Interface: Es el gateway de las redes externas y el equipamiento de este bloque es variable dependiendo de la red a la cual se interconecte.
HUB TSS Inc.

Radio Frequency Terminal – RFT

La función del RFT es la conversión y procesamiento de las señales para la comunicación con el satélite.

  • Up Converter – U/C: Es el dispositivo encargado de mezclar una señal intermedia (52 – 58 Mhz) hacia una frecuencia alta (14.0 – 14.5 Ghz) la cual contiene la información modulada.
  • High-Power Amplifier – HPA: Provee de la potencia necesaria al uplink para mantener el carrier-to-noise ratio – C/N en los terminales de tierra con la mínima variación de amplitud.
  • Down Converter – D/C: Es el dispositivo encargado de convertir una frecuencia alta (10.95 – 12.75 Ghz) a una frecuencia intermedia (52 – 88 Mhz)
  • Low-Noise Amplifier – LNA: Está diseñado para proveer una buena signal-to-noise ratio – SNR en el downlink, esto es de vital importancia ya que hay que rechazar el ruido introducido durante los 36000 km que viajó la señal desde un satélite geoestacionario.
  • Uplink Power Control – UPC: Dispositivo usado en localizaciones donde llueva mucho y compensar así la atenuación generada.

ANTENA

Las antenas que se usan con los HUBs por lo general son grandes, entre 4 a 10 metros, con potencias de emisión mayores a las estaciones remotas ya desde el HUB se envía toda la información hacia las estaciones remotas.

Antenas Satelitales para el HUB – Lurin, Peru (Fuente: www.medianetworks.net)

Recepción

(Fuente: www.nasa.gov)
  1. Se recibe la señal desde el satélite.
  2. Se redirecciona la señal al subreflector.
  3. Se recibe la señal para ser procesada.

Transmisión

(Fuente: www.nasa.gov)
  1. Se envía la señal a ser transmitida hacia el subreflector.
  2. El subreflector direcciona la señal hacia la antena.
  3. Se envía la información hacia el satélite.

SATÉLITE

Un satélite de comunicaciones es una estación de radio en órbita alrededor de la tierra que recibe, amplifica y redirige señales analógicas y digitales en una frecuencia específica.

Principales Tipos de Satélites

  • Low Earth Orbit – LEO: Usualmente usados para teléfonos satelitales, aplicaciones militares y observación; es necesario un equipo altamente sofisticado en tierra para poder seguir al satélite, su cobertura en tierra (footprint) es pequeña y se necesitan varios de estos (35 o más) para poder tener cobertura global.
  • Medium Earth Orbit – MEO: Son satélites de localización (GPS) o de observación, la cobertura en tierra (footprint) es mayor al de los satélites LEO ya que estos se encuentran a mayor distancia de la superficie terrestre.
  • Geostationary Earth Orbit – GEO: También llamados Geosynchronous, son usados para comunicaciones y televisión satelital, estos satélites tardan 24 horas en completar su órbita alrededor de la tierra y es por eso que vistos desde la superficie de la tierra parecen inamovibles en el cielo. Estos satélites se encuentran cerca a la línea ecuatorial para poder maximizar su cobertura hacia la tierra (footprint). La principal desventaja de estos satélites es el retardo que genera. La velocidad de la luz es de aproximadamente 299762 Km/s y el satélite geoestacionario se encuentra a 35790 Km de la tierra, entonces el tiempo que demora la señal en viajar desde la estación terrena hacia el satélite es de 35790/299762 = 0.119s = 120 ms; esto multiplicado por cuatro para lograr una comunicación completa genera un retardo de 480 ms.

En este link hay una lista completa los Satélites Geoestacionarios

Lanzamiento de Satélites y Ciclo de Vida
En este video veras como se lanzan los satélites, como se mantienen en órbita y que pasa cuando cumplen su ciclo de vida.

Funcionamiento de un Satélite de Comunicaciones

  • Estructura: Un satélite para comunicaciones se compone principalmente de:
Satélite Boeing 601 (Fuente: Boeing Satellite Systems)
  • Energía: Los satélites deben tener un continuo suministro de energía durante todo su tiempo de vida, las dos principales fuentes de energía son los paneles solares y las baterías. Los paneles solares suelen tener una eficiencia de 15 al 20% sin embargo existe el problema cuando ocurren los eclipses, es allí donde entran en funcionamiento las baterías; recientemente se están usando las de Níquel – Hidrógeno que tienen la importante característica de poder ser cargadas y descargadas muchas veces durante el tiempo de vida del satélite.
  • Control: Es la parte inteligente del satélite que permite enviar las telemetrías hacia la estación terrena y controlar los sistemas del satélite.
  • Estabilizadores: Sistema encargado de mantener al satélite en órbita que ya las fuerzas gravitacionales de la tierra, la luna y otros astros actúan sobre este constantemente.
  • Transponders: Es el componente electrónico que cambia la frecuencia de recepción y amplifica la potencia para su transmisión, los satélites usualmente cuentan con 12 a 48 transponders y estos tienen anchos de banda de 36, 54 o 72 MHz.
  • Antenas: Los satélites tienen dos funciones principales, la primera es recibir y retransmitir señales, esto se logra mediante una antena de transmisión y otra de recepción. La segunda función y más importante es enviar sus telemetrías y ubicación para su correcta operación y mantenimiento, ya que en caso que se pierda control sobre satélite, este se perderá en el espacio exterior para siempre.
  • Footprint: El footprint es el área de superficie terrestre cubierta por el satélite, esta área de cobertura depende principalmente de la distancia entre la tierra y el satélite.
Footprint Satélite Intelsat 14 (IS-14)
  • Frecuencias de Operación: Entre las principales bandas de frecuencia tenemos:
    • Banda C: Usada principalmente para voz y datos, debido a su potencia baja se necesitan antenas grandes (1.8m a mas) para su recepción, la ventaja es que de estas frecuencias es que son robustas a las condiciones cambiantes del clima.
    • Banda X: Destinada para comunicaciones militares, se necesitan antenas mas pequeñas que las usadas en la Banda C y es mas robusta al clima que la banda Ku.
    • Banda Ku: Esta banda es usada para voz, internet, servicios de TV, etc. En esta banda se necesitan antenas mucho mas pequeñas (0.9 – 1.2m) pero son susceptibles al clima, especialmente en zonas tropicales.
    • Banda Ka: Esta banda es usada comercial y militarmente, las antenas suelen ser pequeñas (0.6 – 1.2m) y debido a su alta frecuencia son altamente susceptibles al clima.

Modulaciones: Las modulaciones son técnicas que se usan para enviar ciertas cantidades de datos en una señal, sin embargo mientras más datos se quieran enviar, estos son más susceptibles al ruido. Las modulaciones más usadas en comunicaciones satelitales son:

  • Binary Phase Shift Keying – BPSK
  • Quadrature Phase Shift Keying – QPSK
  • n Phase Shift Keying – nPSK
  • Quadrature Amplitude Modulation – QAM

Actualmente en las telecomunicaciones satelitales se usa el Digital Video Broadcasting – Second Generation DVB-S2 el cual es un estándar para la transmisión de televisión digital. Entre las principales características tenemos:

  • Puede ser usado para transmitir eficientemente datos basados en IP.
  • Codificación y modulación variable que permite optimizar la utilización del ancho de banda .
  • Codificación y modulación adaptativa (MODCOD) que permite adaptar la transmisión en base a los factores climatológicos, tamaño de antena, localización geográfica obteniendo así el mayor throughput posible.

Multiplexación: El espectro radioeléctrico es muy valioso y limitado, para poder usarlo eficientemente es necesario utilizar la multiplexación; en comunicaciones satelitales las técnicas de multiplexación usadas son el TDMA, FDMA y CDMA. Estas multiplexaciones aplicadas generan los siguientes servicios digitales:

  • Single Carrier Per Channel – SCPC: Un solo canal es ocupado por la portadora durante todo el tiempo, incluso cuando no se está transmitiendo nada, esto se usa principalmente cuando se necesita una línea dedicada, por ejemplo radio satelital.
  • Multiple Carrier Per Channel – MCPC: Todos los canales son multiplexados mediante TDM antes de ser modulados para ser enviados.

MCPC Outbound

MCPC Inbound

Polarización: La polarización de señales es una propiedad de las ondas electromagnéticas, estas tienen tres dimensiones, amplitud, frecuencia y fase. Usando una polarización para el envió de información y otra para la recepción, se puede usar la misma frecuencia sin que se interfieran entre ellas. Las polarizaciones pueden ser:

  • Lineal: La polarización lineal se da cuando el vector eléctrico ubicado en el espacio se mantiene en una dirección establecida variando su magnitud. Las polarizaciones lineales pueden ser:
Horizontal: Viaja paralela a la superficie de la tierra.
Vertical: Viaja perpendicular a la superficie de la tierra.
  • Circular: El vector eléctrico ubicado en el espacio realiza una revolución completa durante cada longitud de onda, esta onda radiara energía en el plano horizontal, vertical y en cada plano entre estos. Las polarizaciones circulares pueden ser:
Left Hand Circular Polarization – LHCP
Right Hand Circular Polarization – RHCP

REMOTE STATION

Las estaciones remotas están implementadas para recibir las comunicaciones satelitales, estas estaciones están gestionadas por un HUB y pueden brindar servicios de datos, telefonía, video, etc. vía enlaces punto a punto o punto multipunto.

Están compuestas por el Outdoor Unit – ODU, que son los elementos que se encuentran al aire libre tales como la antena, Feed Horn, LNB, BUC; y el Indoor Unit – IDU que comprende el Modem que también es llamado VSAT

Antena

Las antenas en las estaciones remotas son pequeñas, varían entre 0.6m a 2.4m; el tamaño de las antenas depende de la banda que se use para la comunicación, entre más alta la frecuencia, menor será el tamaño de la antena.

Antena 1.2m – Moquegua – Perú

La antena se encuentra sujeta a una base de metal llamada canister, este brinda a la antena la libertad de movimiento en azimut y elevación con la finalidad de poder apuntar hacia el satélite.

El azimut es una medida de 360° apuntando hacia el horizonte de la tierra; empieza a los 0° apuntando hacia el norte, 90° hacia el este, 180° hacia el sur y 270° hacia el oeste.

La elevación es el ángulo medido desde el horizonte de la tierra hacia el satélite visto desde la posición del observador.

Estas antenas son generalmente de reflector parabólico asimétrico (offset), es decir de foco desplazado. Por lo tanto la vista aparente del reflector parabólico no refleja el apuntamiento real.

Feed Horn
Es un elemento RF ubicado en el foco de la antena, sirve para captar o transmitir las señales desde o hacia al satélite.

Orthogonal Mode Transducer – OMT
Permite la transmisión y recepción simultánea de señales polarizadas de manera opuesta usando la misma antena y feed horn.

Como se puede ver en la imagen, este OMT permitirá la polarización horizontal y vertical. Este componente puede ser desajustado levemente permitiendo un movimiento horario o antihorario con la finalidad de que las ondas electromagnéticas ingresen en la dirección correcta; a este proceso de ajuste en la recepción de la señal se le conoce como aislamiento.

a) Polarización Vertical b) Polarización Horizontal
(Fuente: www.researchgate.net)

Transmitter Reject Filter
Filtra las señales transmitidas de tal modo que solamente al señales recibidas ingresen al LNB.

Nótese que las polarizaciones horizontal y vertical se mantienen.

Low Noise Block – LNB
Amplifica y convierte las altas frecuencias en bajas frecuencias mediante el Down Converter D/C, está también compuesto por un Low Noise Amplifier – LNA que es un amplificador de bajo ruido.

High Power Block – HPC
Compuesto por un Up Converter – U/C y un Solid State Power Amplifier – SSPA, está encargado de amplificar y convertir las frecuencias bajas que vienen desde el IDU a frecuencias altas para la transmisión hacia el satélite. Este componente también es denominado Blockup Converter – BUC.

Cuando la polarización sea circular, se tendrá que agregar un componente de polarización entre el OMT y el Feed Horn.

La polarización circular la vemos cotidianamente en los sistemas de televisión satelital como DirectTV.

Very Small Aperture Terminal – VSAT
Es un dispositivo optimizado para comunicaciones satelitales, pueden ser interactivos (transmisión y recepción) o de solo recepción y por lo general los VSAT tienen más capacidad de recepción que de transmisión.

VSAT iDirect X3 Evolution

El conector RX In estará conectado mediante un cable coaxial hacia el LNB mientras que el conector TX Out al BUC. La configuración de los VSAT por lo general es muy sencilla ya que solo se necesita colocar los parámetros ya establecidos por el HUB satelital.

Una vez configurado el VSAT el siguiente paso es realizar el apuntamiento hacia el satélite; cada satélite Geoestacionario tiene una ubicación específica con respecto a la superficie de la tierra, así que para encontrar el satélite objetivo se debe usar el Azimut y Elevación de la antena en la estación remota.

Para que la antena en la estación remota quede óptimamente apuntada hacia el satélite, los VSAT usan distintos tipos de mediciones las cuales pueden ser:

  • Co Polarization – CoPol y Cross Polarization – XPol: El CoPol es la medida de la onda electromagnética con la polarización deseada mientras que el XPol es medida de la onda electromagnética no deseada. En términos prácticos, recordemos cómo ingresa la señal por nuestro OMT; la polarización vertical debería ingresar hacia el LNB mientras que la polarización horizontal ingresa hacia el BUC, pero si el OMT no está correctamente alineado con la onda, parte de la polarización vertical pasaría por la entrada de la polarización horizontal y viceversa.
  • Signal to Noise Ratio – SNR: Es una medida que compara el nivel deseado de la señal con respecto al ruido presente en esta.
  • Energy per Bit to Noise power spectral density radio – Eb/N0: Medida normalizada del SNR, esta medida es importante ya que nos ayuda a determinar cómo se comportará el Bit Error Rate – BER con respecto a la modulación usada.
Fuente: By Splash – Own work, CC BY-SA 3.0
  • Energy per Symbol to Noise power spectral density ratio – Es/N0: Medida usada para el análisis de los esquemas de modulación digital.
  • PWM Voltage: Usado generalmente en los VSAT iDirect, cuando la antena encuentra al satélite, el VSAT genera un tren de pulsos en el puerto TX Out, la duración de cada pulso es proporcional a la intensidad de la señal recibida. Los pulsos de diferentes duraciones son detectados como voltajes DC, por lo tanto mientras mayor el voltaje, mejor será la intensidad de la señal.