comunicaciones por satelite

Radiocomunicación Comunicaciones por satélite 1

COMUNICACIONES POR SATÉLITE

Características generalesIntroducción. Evolución y situación actual. Servicios y Redes de satélites. Bandas de frecuencias.Orbitas y coberturas.

Segmento espacial.Subsistemas, Antenas, Transpondedores, Lanzamiento.

Segmento terreno.Estructura. Antenas. Apuntamiento. LNA. Amplificadores de potencia.Técnicas de acceso múltiple

Balance del enlace.PIRE y G/T. Atenuación atmosférica y por lluviaBalance ascendente y descendente. Backoff.Interferencias. Balance conjunto.

Objetivos de Calidad y disponibilidad.


Características generales

Sistemas y redes de telecomunicaciones por satélite Flexibilidad.

Posibilidad de cobertura mundial.Comunicaciones para áreas aisladas y con dificultades geográficas.Facilidad para reconfiguración y cambios de tráfico.Rápido establecimiento de redes.Posibilidad de comunicaciones eventuales

Múltiples servicios.Enlaces fijos (punto a punto) para voz, imágenes, datos, multimedia.Rutas alternativas y de reserva.Distribución (punto a multipunto), radiodifusión (Audio, TV, datos).Recolección (multipunto punto)Capacidad de acceso multiple (multipunto a multipunto).

Coste de las comunicaciones independiente de la distancia.Retardo temporal importante


Evolución Histórica

1945 A.C. Clarke. Propone la utilización de satélites Geoestacionarios.

1948 Desarrollo del transistor y del ordenador electrónico.

1957 Lanzamiento del primer cohete espacial (Sputnik)

1960 ECHO 1 Satélite pasivo de órbita baja (1500 Km.).

1962 TELSTAR 1, RELAY Satélites activos. Órbitas elípticas bajas (1000-5000 Km).

1964 SYNCOM 3 Primer satélite geoestacionario (32 Kg, 2 W, BW = 5 MHz)

1965 INTELSAT I Primer satélite comercial geoestacionario.

1965 MOLINYA Primer satélite soviético (Órbita elíptica)

1971 INTELSAT IV Etapa madura de las comunicaciones por satélite.

1982 INMARSAT Comunicaciones móviles marítimas por satélite

1983 EUTELSAT Sistemas regionales de satélites

1984 TELECOM Sistemas nacionales de satélites

1992 HISPASAT Sistemas español de satélites

1998 IRIDIUM… Redes de satélites de órbita baja

2000 Mini, micro, nano satélites


Evolución del sistema de satélites INTELSAT (I)

Tipo Año PesoKg

Vidaaños

DimensionesAncho (m) Alto Circuitos Tf. Lanzador Innovaciones

IS-1 1965 39 1,5 0,72 0,59 240/1 TV Delta Estabilización, 50 MHzantenas omni.

IS-II 1967 87 3 1,42 0,67 240/1 TV Delta Acceso multipleCobert. Global

IS-III 1968 152 5 1,42 1,04 1500/4TV Delta Antenas bocina500 MHz

IS-IV 1971 732 7 2,38 5,26 4000+2TV Atlas Antenas parabólicas

IS-IVA 1975 863 7 2,38 6,78 6000+2TV Atlas Reutilización defrecuencia

IS-V 1980 1012 7 15,84 6,44 12000+2TV AtlasLanzadera

Banda 11/14 GHztres ejes

IS-VI 1989 2004 13 3,63 11,82 24000+3TV Ariane IVLanzadera SS/TDMA

IS-VII 1993 1800 10-15 18000+3TV Ariane IVLanzadera

Coberturasreconfigurables

IS-VIII 1997 1750 14-17 22500+3TV Ariane IVLanzadera

IS-IX >2000 1900 13 32 96 transpon.36 MHz

SDH, ATMInternet


Evolución del sistema de satélites INTELSAT (II)


Servicio fijo por satélite (FSS)Enlace entre puntos fijos.

Telefonía, Televisión, Datos.Enlaces internacionales

Servicios móviles por satélite. (MSS)Terrestre (LMSS)Marítimo (MMSS)

Aeronáutico (AMSS)

Servicio se radiodifusión por satélite (BSS)Distribución de señales de audio y video (DBS)

Difusión directa a los hogares (DTH)

Redes de transmisión de datos.Redes públicas y privadas con estructuras en estrella o mallada

Terminales VSAT

Servicios multimedia: Integración de voz, imágenes, datos

Servicios y Redes de Satélites

Estación transmisora/receptora

Estación Control

Satélite

Segmento espacial

Estación receptora/transmisora

Segmento terreno


Bandas de frecuencias http://www2.setsi.mityc.es/Secciones/espectro/cnaf

Banda Frecuencias (GHz)Enlace ascendente

Frecuencias (GHz)Enlace descendente

Utilización

Banda L1,5-2 GHz

1,61 – 1,661,93 – 2,01 1,452 – 1,61 Comunicaciones móviles por

satélite,

Banda S2-3 GHz

2,025- 2,11 2,29– 2,52,655 – 2,69

Comunicaciones móviles porsatélite, fijas, radiodifusión.

Banda C6/4 GHz

5,925-6,425(500 MHz)

3,7 – 4,2(500 MHz)

Intelsat, Satélites nacionales:Westar, Satcom, Comstar, (USA),Anik (Canada), STW, Chinasat(CHINA), Palapa (Indonesia)Telecom I (Francia), CS-2 (Japón)

5,725 – 6,275(550 MHz)

3,4 – 3,9(500 MHz) Molinya, Intersputnik (URSS)

5.850 – 7,075(1255 MHz)

3,5 – 4,2 4,5 – 4,8(1100 MHz)

Bandas ampliadas,CAMR-79,85,88

Banda X8/7 GHz

7,925 - 8,425(500 MHz)

7,25 - 7,75(500 MHz)

Satélites gubernamentales ymilitares

Banda Ku13/11 GHz

12,75 – 13,25 14 - 14,5(500 + 500 MHz)

10,7 - 12,75(2.005 MHz)

Intelsat, Eutelsat, satélitesnacionales, DBS

Banda K18/12 GHz 17,3 – 18,4 Radiodifusión, fijos

Banda Ka30/20 GHz 27,5 – 31 17,2 – 21,2 Japón, Europa, USA

Enlaces intersatélites

http://www2.setsi.mityc.es/Secciones/espectro/cnaf


Leyes de Kepler

1 La órbita de cada planeta (satélite) es una elipse con el sol (tierra) en uno de sus focos.

2 La línea que une al sol (tierra) a el planeta (satélite) barre áreas iguales en tiempos iguales.

3 El cuadrado del periodo de revolución es proporcional al cubo de su semieje mayor (a).

Planeta

Apogeo Perigeo

μπ=

3a2T μ = G·M = Cte. Gravitacional · Masa

235

sgKm10·986,3=μTierra

2311

sgKgm10·6726,6G −=


Orbitas

Órbita baja (LEO): polares y elípticasAltitud de 2000 a 4000 km y poseen un periodo de 90 minutos. Tiempo de propagación de la señal bajo. Correcciones continuas de la órbita debido al efecto de la atmósfera Son necesarios muchos satélites para cubrir el globo.

Órbita muy elíptica (HEO):Perigeo a unos 500 km y el apogeo a 50000. Las órbitas inclinadas 63,5º El período varía de las 8 a las 24 horas.

Órbita geoestacionaria (GEO): Circular con periodo igual al de la Tierra (24 horas). Altura ≈ 36000 kmTiempo de propagación. (260 ms i/v)

Órbita media (MEO): Altitud: 10000 km. Periodo: 6 horas.Tiempo de propagación es alto

Cobertura global con 3 ó 4 satélites,


Orbita Geoestacionaria

Satélite situado en el plano ecuatorial de la tierra.Velocidad angular del satélite igual a la velocidad de rotación de la Tierra.

Fuerza de atracción = Fuerza centrífuga

r

h

s/km074.3vkm35779rrhkm42157r

s86164´´4´5623Tpara

rM·Gsm81,9g

T2r·v

2Trgr

6377rrT2m

rr·mg

0

h

20

T20

3

20

0

0

2

2

20

0

==−==

==

==

π=ϖϖ=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

π=

=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ π

= FA

FCv

v


Orbita Geoestacionaria (II)

PRINCIPALES PERTURBACIONES DE UNA ÓRBITA GEOESTACIONARIACAUSA EFECTO

Atracciones de la luna y el sol. Cambio en la inclinación de la órbita (0.75 a 0.95)

Asimetría del campo gravitacional terrestre(triaxialidad)

Cambios en la posición de longitud del satélite("deriva", movimiento este-oeste), al alterar suvelocidad.

Presión de la radiación solar

Acelera al satélite, cambio en la excentricidad de laórbita (la cual se manifiesta como una variación enlongitud), ocasiona giros si la resultante noincide en el centro de la masa.

Estructura no homogénea Giros alrededor de su centro de masa.

Campo magnético terrestre Giros, pero menos significativos.

Impacto de meteoritosModificación de posición y orientación, posiblesdaños a la estructura.

Movimientos internos del satélites, (antenas,ajustes solares, combustible), etc.

Pares mecánicos variación del centro de masa


Coberturas (I)

Global mediante tres satélites geoestacionarios.Sistema INTELSAT con 3 haces globales en las regiones de los OceanosAtlántico, Indico y Pacífico.


Coberturas (II)

Intelsat

HemisféricaZonalPuntual

Global

θ = 17, 5 º


Coberturas (III)

Eutelsat.Haces conformados Mediante alimentadores multiples, se consigue una cobertura adaptada a las zonas de interés

Hispasat. Varios tipos de servicios: DBS, SFS, Misión América, Misión gubernamental.Varios tipos de cobertura.


Orbitas de baja altura (LEO)

Constelaciones de satélites: Orbitas circularesGlobastar (48 satélites)Iridium (66 satélites), Teledesic (840 satélites)

Sistema multimedia en banda Ka

Cobertura mundial celular


Situación geográfica.

Estación terrena ETLongitud: LonT = HOET’ (+ al Oeste)Latitud: LatT = ET’OET (+ al Norte)

Satélite. PS: punto subsatéliteLongitud: LonS = HOPS’ (+ al Oeste) Latitud: LatS = PS’OPS (+ al Norte)

LatS = 0 para satélites geoestacionarios

ET

OEcuador

Meridiano 0

LatT

LonT HE’T

OEcuador

Meridiano 0

LatSLonS

H

PS

P’S

R0


Orientación y apuntamiento de antenas (I)

Elevación (E):Ángulo entre la recta según la cual esta dirigido el eje de la antena y el suelo.

Azimut (Az) : Ángulo entre la dirección norte y la proyección sobre el suelo de la recta en la cual está dirigida la antena

N

OE

S

E

LatT

a

LatS PS

P’S

ET

γ

d

r

Az

a: diferencia de longitudes entre la estación terrena y la del satélite = LonT - LonS


Orientación y apuntamiento de antenas (II)

)LonLon(cos)·Lat(cos·)Lat(coscos STST −=γ

)(cosrr2

rr1rd

S

T

2

S

TS γ−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=

dsen·rEcos S γ

=

km6377rkm42157r

T

S

==

PS

ETα γ

Az

Polo

( )⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡

−−γ−

=α −

)as(sen)s(senLatssen)s(sen

tan·2 T1

ST

ST

LatLatc

LonLona)ca(·5,0s

−=

−=

γ++=

α=α−=α−=α+=

Az360Az180Az180Az Si LatT > 0 y LontT < LontS

Si LatT > 0 y LontT > LontS

Si LatT < 0 y LontT < LontSSi LatT < 0 y LontT > LontS

PS

α

γ

Az

Polo

d rS

rT

E

ET

PS


Segmento espacial

Satélite Plataforma. Subsistemas secundarios

Estructura.Subsistema de control térmico.Subsistema de alimentación de energíaSubsistema de control de actitud y de órbita.Subsistema de telemedida, telemando y seguimientoSubsistema de propulsión

Carga util (Pay load)Subsistema de antenas.Subsistema de transpondedores.

Telemedida, Telemando y Seguimiento.Centro de control del satélite desde tierra


Plataforma (I)

Estructura del satélite.Proporciona el interfaz

mecánico con el lanzadorSoporte estructural durante la integración, pruebas, lanzamiento y operaciones orbitales.Condicionantes:

Masa totalRigidezResistencia.

Mecanismos para el despliegue de estructuras.

Antenas y paneles solares.Motores, muelles, dispositivos pirotécnicos


Plataforma (II)

Control de Actitud:Orientación y apuntamiento del satélite en el espacio

Sensores de tierra y sol.

ControlEstabilización por rotación.Tres ejes: mediante volantes de inercía

Control de la órbita:Mediante correcciones periódicas.Sistemas de propulsión

quimicos.eléctricosIónicos


Plataforma (III)

Control térmico.Temperaturas operacionales ante ciclos térmicos. (5000 K sol - 3 K fondo)Persianas térmicas.Radiadores. Sistemas de refrigeración

Telemedida, telemando y seguimiento. TTC

Interfaz con el segmento terreno. PCM/PSK.Antenas con cobertura omnidireccional

Subsistema de propulsiónMotores de apogeo y de control.

Propulsión sólida, líquida, (hidracina), gas frio, eléctrica


Plataforma (IV)

Alimentación de energía.Panéles solares:

Flujo solar: 1370 w/m2

Si 18 %, AsGa 23 % eficiencia

Baterías. NiCd, Ni H2, Ni MHNecesarias para los eclipses

Satélites geoestacionarios: 45 días centrados en los equinoccios y de duración máxima de 70 minutos

Nucleares:IsótoposPrimavera

150·10 6 Km

Verano

Otoño

Invierno

Duración del eclipse

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

01-ene

26-feb

26-mar

23-abr

27-ago

24-sep

22-oct

31-dic

Fecha del año

Sgen

ecl

ipse


Carga util (Pay Load)

Subsistema de antenasVarios tipos de antenas para diferentes bandas y misiones.

Subsistema de transpondedores:Sección de entrada.Sección de cambio de frecuencia. TransposiciónSección de salida: Amplificación TWT (TOP) o de estado sólido

Filtro de entrada

Amplificador de bajo ruido

Conversión de frecuencia

Amplificador de potencia

Antena de recepción

Antena de transmisión


Subsistema de antenas

Cobertura global:Bocinas con anchura de haz θ = 17 º

Puntuales:reflectores parabólicos:

Concentran la energía en una zona pequeña

Conformadas:Reflectores parabólicos con alimentadores múltiples.

Adecuan el diagrama de radiación a la zona a cubrir.

Móviles:Reflectores parabólicos actuados mecánicamente o con alimentadores múltiples.

Pueden cambiar la orientación del diagrama de radiación


Subsistema de transpondedores (I)

TVA beacon

17,3-17,7 LNA + Down Conv

Canal de TVA Desde FSS

5178 MHzAntena DBS

Ch 23

Ch 27

Ch 31

Ch 35

Ch 39

Ch 23

Ch 27

Ch 31

Ch 35

Ch 39

Ch 6

Ch 6

BeaconCh 27

11953 MHz

Antena DBS

12078 MHzAntena

TVA

IMUX DBS OMUX DBS

OMUX TVA


Subsistema de transpondedores (II)


Telemedida, seguimiento y Telecomando (TTC)

Enlace entre la nave y el centro de control en tierra:Permite monitorear las telemetrías del estado del satélite (Telemetry).

Transmite los comandos apropiados. (Command).

Evalua la trayectoria del satélite (Tracking) mediante la medida de distancia (Ranging).

Sistema crítico para la misión espacial Alta fiabilidad mediante redundancia.

Centro de Control de Satélites:Responsable de la operación y control de los satélites.

Incluye los sistemas operacionales que permiten la supervisión, control y mantenimiento en la posición orbital de los satélites:

Campo de antenas y los subsistemas de control.


Lanzaderas

Ariane Delta Ariane 4 Long March H-1, Titan Space Shuttle LM-4 Ariane VFrance USA France China Japan USA USA China Europa

El lanzamiento es un segmento diferenciado de los demás dada su importancia crítica para la puesta en órbita y su coste.

El/los satélites irán alojados en la cofia del lanzador clásico.Para las lanzaderas tipo shuttle, los satélites van alojados en la bodega

Los satélites necesitan un motor de perigeo adicional


Lanzamiento


Segmento terreno

Sistema de antena.Amplificadores de recepción de bajo nivel de ruido.Amplificadores transmisores de alta potencia.Convertidores de frecuencia y modems.

Equi

po I

nter

faz

con

la r

ed t

erre

nal

Mul

tiple

xaci

óny

dem

ultip

lexa

ción

Equi

po d

epr

oces

ado

de s

eñal

Equipos de multiplexación y demultiplexación.Equipos de conexión con las redes terrestres.Equipos auxiliares y alimentación de energía.Infraestructura general

BANDA BASE

Equipoalimentación

Equiposupervisión

y mando

FRECUENCIA INTERMEDIA

Modulador Upconverter

Demodul. Downconverter

Combinador

Divisor

ALTA FRECUENCIA

Amplificadorde Potencia

Amplificadorde B. Ruido

Seguimiento

Duplexor


Sistema de antena (I)

Diámetros desde 60 cm (recepción de TV) hasta 70 m (exploración espacial).Tipos de antenas:

Cassegrain (Subreflector hiperbólico)Gregorian (Subreflector parabólico)Descentradas (Offset)

D70BW λ

=

Ancho del haz entre puntos a 3 dB

22

2

Dlog10)dB(GDA4G ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

λπ

κ=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

λπ

κ=λπ

κ=

Ganancia por directividad κ: eficiencia del alimentador (0,5-0,8), producto de varios factores

º180º48dBi10Gº48º1dBilog2529G

≤ϕ≤−=≤ϕ≤ϕ−=Lóbulos laterales. Antenas a partir de 1995

ϕ el ángulo con respecto al eje en la dirección de la órbita del satélite geoestacionario.


Sistema de antena (II)

Temperatura de ruido de la antena

Tem

pera

tura

de

ruid

o de

la a

nten

a co

n ci

elo

desp

ejad

o T A

0

f (GHz) Diám. (m) Tc (K)1 11,75 10 8,32 11,45 18,3 7,33 17,6 10 8,34 18,4 13 9,35 31,65 10 11,56 18,75 11,5 4,5

SC0A TT +

Angulo de elevación (grados)

=Τ

TC : temperatura de ruido debido cielo despejadoTS : temperatura de ruido de la antena debida al sueloTatm: temperatura física de la atmósfera ≈ 270 KTF: temperatura física de los elementos de alimentación

(Si no están refrigerados = T0 = 290 K)αF: pérdidas resistivas debidas a los elementos no

radiantes del sistema de alimentaciónαatm:Atenuación debida a la atmósfera y a las

precipitaciones (veces)

( )CatmatmF

FF

0AF

A TT·11·1T111T −⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛α

−α

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛α

−+Τα

=

Sistemas de posicionamiento y seguimiento.Dependen del tamaño de la antena relativo a la longitud de onda.

Antenas pequeñas: D/l < 150 Sin seguimiento. Ajuste manual Antenas de tamaño medio: Seguimiento por programa, o pasos.Antenas grandes: Seguimiento monopulso.


Elementos de comunicaciones (I)

Amplificador de bajo ruido. LNA. NF: 0,7 - 1,5 dB; G: 10-20 dBEl amplificador de entrada debe tener la menor figura de ruido posible.Deberá estar situado lo más cerca posible del diplexor de antena para evitar pérdidas, Δ 7 K por cada 0,1 dB de pérdidas.

Temperatura total de ruido del sistema de recepción

1)F(Tg......gg

········ggg

T

n0i

n21

n

21

3

1

21R

−Τ=

Τ++

Τ+

Τ+Τ=

g1 g2 gn

T1 T2 TnTA

RAS T+Τ=Τ

Amplificador de alta potencia. HPA.Amplifica las señales para ser enviadas al satélite.Pueden ser Klystrons, Tubos de ondas progresivas (TWT) o de estado sólido.El TWT es un amplificador de banda ancha de hasta 500 MHz, con lo que puede amplificar varios canales de forma simultanea.Sin embargo esto produce productos de intermodulación por lo que debe trabajar fuera de saturación.


Elementos de comunicaciones (II)

Convertidores de frecuencia.Convierten las señales de FI a microondas (up-conv) y viceversa (down conv.)

FI de 70 o 140 MHz y conversión mediante varias etapas.

Moduladores/demoduladores.Superponen o extraen las señales de información a la portadora de FI.

Para señales analógicas modulación de FM. Para señales digitales QPSK. Se está pensando en utilizar GMSK u otras más avanzadas.

Equipos de procesado de señal.Multiplexación/demultiplexación, sincronización en las TAM, encriptado/desencriptado, codificación y decodificación

Interfaz con la red terrenal.Para enlaces con centrales de conmutación o nodos de inserción, extracción por fibra óptica, cable coaxial, o radioenlaces.

Para aplicaciones sencillas, VST, DBS, etc, enlace directo con la aplicación o protocolos de comunicaciones (RS-232, X-25, etc)


Infraestructura


Tecnicas de Acceso Multiple

Varias estaciones de la misma red intercambian información a través de un único punto nodal, el satélite. (Tráfico)

Acceso Multiple por División de Frecuencia (FDMA).Acceso Múltiple por División de Tiempo (TDMA).Acceso Múltiple por División de Código (CDMA).

Secuencia Directa (DS-CDMA)Salto de frecuencia (FH-CDMA)

Acceso Múltiple Aleatorio en el Tiempo (TRMA).

Por la forma de asignar los recursos del satélite a los usuarios.Preasignados, de una forma fija o parcialmente fija, ciertos usuarios disponen de determinados recursos

frecuencias portadoras, slots temporales, o códigos

Asignación por peticiónAcceso Multiple Asignado bajo Demanda, (DAMA:)

En un satélite (o dentro de un transpondedor) pueden utilizarse diferentes técnicas de acceso, y/o combinaciones de las anteriores.


FDMA (I)

Características de FDMA.División del ancho de banda de cada transpondedor en bandas más pequeñas (portadoras)

Pequeña banda de guarda para evitar solape de espectros.Cada portadora puede modularse analógica (FM) o digitalmente (PSK).

Cada estación terrena transmite continuamente.El receptor del enlace descendente selecciona la portadora deseada de acuerdo con la frecuencia utilizada.

Hacen falta tantos receptores como portadoras se desee seleccionar.

Puede utilizar sistemas preasignados o sistemas de asignación por peticiónLa División del ancho de banda total en el satélite en varios canales es una forma de acceso múltiple por división de frecuencia.

Es el método más sencillo de implementar y el primero que se utilizó.Actualmente no es muy utilizado como método único de acceso.


FDMA (II)

A B A B

Emisores Receptores

CC

B

A A

Ny

C

y

C

y

B

Una portadora por estación:Las señales en BB son multiplexadas y moduladas por una portadora

FDM/FM,para señales analógicas, TDM/PSK, para señales digitales.

f

P

Una portadora por enlace (SCPC):Cada una de las señales en BB, o cada usuario modula una portadora

FM, para señales analógicas, PSK, para señales digitales.

A B A B

Emisores Receptores

CC

N(N-1)

BC

A C A B

f

P


FDMA (III)

Principal inconveniente:Aparición de productos de intermodulación en la banda ocupada producidos por la característica de transferencia no lineal de los amplificadores de potencia.

fIM = m1f1 m2f2, ...... mNfN ; mi : 0,1,2,3 .... ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

NC +

NC +

NC =

NC

O

-1

INTERMO

-1

DESCO

-1

ASCO

-1

TOTAL

-20 dB

(C/N0)IM

Incremento del número de portadoras

Potencia relativa a saturación

SAT

SAT

Potencia de entrada

Potenciade salida

Transferenciadel TWT

dB/Hz

-10 dB 0 dB

Para reducir el ruido de intermodulación:trabajar lejos de la saturación del amplificador reduciendo la potencia a la entrada del mismo, Back-off de entrada (BOIN). Reducción de la potencia de salida, Back-off de salida (BOout),


TDMA (I)

Cada estación dispone totalmente del ancho de banda del transpondedor pero sólo en un determinado intervalo de tiempo .Sólo existe una portadora en el sistema a la vez, elimina los productos de intermodulación y permite al amplificador trabajar en el punto de saturación

Las señales en BB TDM/PSK son moduladas por una portadora

t1

B B

Emisores Receptores

CA

t1

t2

t2

t3

t3

A

A C

t

B

B

FbT T

TRR =

La transmisión de discontinua y en ráfagas (burst) RB

Velocidad binaria de entrada, Rb

Estructura de trama TF

Velocidad binaria total: RT


TDMA (II)

RB1 RB1TBa RB2 TBb64 símbolos

120.832 símbolos, 2msTrama Intelsat, Eutelsat

Rec. portadora y reloj bit UW TTY SC VOW CDCVOW

24176 8 8 32 32 8símbolos

Rec. portadora y reloj bit UW TTY SC VOW TráficoVOW

24176 8 8 32 32 n x 64

Ráfaga de tráfico

símbolos

Tiempo de guarda

Preámbulo

Ráfaga de referencia

RB1: Ráfaga de referencia de la estac. 1TBx: Ráfaga de tráfico de estación xUW: Palabra única, secuencia de bits que

permiten la sincronización y resolución de la ambigüedad de fase.

SC : Canal de servicio, alarmas y manejo de red.CDC: Canal de control y retardo. Contiene la información de retardo Dn.TTY, VOW: Ordenes telegráficas y telefónicas para comunicaciones entre estaciones


TDMA (III)

Sincronización.La sincronización es fundamental para evitar que las ráfagas de una estación se solapen con las de otras. Debido al movimiento de los satélites, incluso en órbitas geoestacionarias, hace que la sincronización no sea sencilla.

0.10.1

75 Km

85 Km

75 Km

Las estaciones debe transmitir de forma que su ráfaga llegue con un retardo dn con respecto a la de referencia.El inicio de trama transmitida (SOTFn) para cada estación es distinto. El problema de la sincronización es determinar ese inicio de trama (SOTFn).

B0 B1 B2 Bn BN B0

dN

dnd2d1

Iniciotrama k

Inicio trama k+ 1

Satélite

Distancia

Tiempo

Estación NdN

BN

Estación ndn

SOTFN

Bn

B0

B1d1

SOTFn

SOTF1

Estación referenciaEstación 1


TDMA (IV)

Relación entre el inicio de la trama en transmisión y recepción

Para que Dn >0, es necesario escoger m, tal que mTF sea mayor que el valor 2Rn /c para la estación n que está más alejada del satélite

cRmTDSORFSOTF nFnnn /2−==−

La estación n identifica SORFn por medio de la palabra única de la estación de referencia y transmite en el instante Dn + dn posteriorLa posición del satélite puede ser proporcionada por la estación de control de órbita.Mediante el campo CDC puede difundir los valores de Dn a cada una de las estaciones.

m Tf

Rn /c Dn dn

SOTFn

Bo Bn

Bo Bo Bn

Dn = mTf-2Rn/c

SORFn

Tiempo

Estación n

Satélite

Distancia

Inicio trama k+mInicio

trama k

Sincronización en lazo abierto


TDMA (V)

Sincronización en lazo cerrado:La estación n recibe su ráfaga y mide el tiempo entre la detección de la palabra única de la ráfaga de referencia y la de su propia ráfaga. don (j) es el valor observado en la recepción de la trama para un valor de Dn (j) usado para determinar el tiempo de transmisiónLa diferencia en(j) = don (j) - dn es el error de posición de la ráfaga. La estación incrementa el valor de Dn

Bo Bn Satélite

Recepcion

Transnision

dnDn(j+1) Dn(j+1) = Dn(j) - en(j)

don (j)dn en(j)

Dn(j) dn

Bo Bn

BnBo

BnBn

)()()1( jejDjD nnn −=+


TDMA (VI)

Eficiencia de TDMA.Relación de la capacidad del canal para un único acceso y para acceso múltiple, considerando que se ocupa todo el ancho de banda en los dos casos.

Porcentaje de datos con información con respecto a los totales transmitidos (incluyendo preambulo, guardas y ráfagas de referencia (sumatorio)

La eficiencia depende del número P de ráfagas en la trama. Si p es el número de bits en la cabecera y g la duración en bits equivalente del tiempo de guarda, y con dos ráfagas de referencia. (R: régimen binario del canal)

F

iT

t∑−=1η

FRTgpP /)()2(1 ++−=ηVentajas:

No importan las no linealidades del TWT, trabajan en la zona de saturación obteniendo así el máximo rendimiento. No es necesario ningún ajuste de potencia. Todas las estaciones transmiten a la misma potencia y a la misma frecuencia.

Inconvenientes.Necesidad de sincronización. Necesidad de dimensionar la estación para una alta eficiencia.


CDMA (I)

Cada estación transmite continuamente y de forma simultanea en todo el ancho de banda del canal mediante técnicas de espectro ensanchado

La interferencia entre las estaciones es resuelta por el receptor que identifica al transmisor/es deseados por medio de un código. Los códigos utilizados son secuencias binarias ortogonales con ciertaspropiedades de correlación, que se combinan con la señal de información en cada transmisor. (espectro ensanchado)

Códigos m-secuencia, códigos Gold, Kasami

Etapa1

Reloj

Etapa2

Etapa3

Etapam

Lógica de Realimentación

Salida de la secuencia PN

Dos técnicas para el acceso múltiple por división de código. Secuencia directa DS-CDMA Salto de frecuencia FH-CDMA (frequency hopping).


CDMA (II)

Secuencia directa DS-CDMALa señal de información m(t) a una velocidad Rb = 1/Tb ,en NRZ, m(t) = 1, se multiplica por una secuencia p(t), también en NRZ de tasa Rc = 1/Tc

Rc (102 a 106) > Rb. Tc : periodo de chip.

Oscilador fcGeneradorcódigo PN

Reloj Chip

Datos

m(t)

Generadorcódigo PN

FPBDemodulador.CBPSK DPSK

Sistema deSincronización

Transmisor Receptor

Datos

Señalensanchada

S (t)

FiltroBandaBase

p (t) r (t)

Transponder

Oscilador fc

x (t)

tcos)t(p)t(m)t(s cϖ=

t2cos)t(p)t(m)t(p)t(m)t(r cϖ+=

)t(m)t(p)t(p)t(m)t(x ==


CDMA (III)

m(t)

m(t)

p (t)

Sss (t)

Sss(t) m(t)Tiempo Tiempo

Sss (t)

p (t)

m(t)

B 1/T s f f fB W ss T c W ss

Otros usuarios

T b

Señaldeseada

T c

Señales temporales y densidad espectral de potencia de un sistema DS-CDMA

tcos)t(p)t(m)t(sytcos)t(p)t(m)t(s

)t(s)t(s)t(r

ciiic

i

ϖ=ϖ=

+=

∑∑∑

)t(p)t(p)t(m)t(m)t(p)t(p)t(m)t(p)t(m)t(x iiii2 ∑∑ +=+=

mensaje más el ruido debido a la interferencia de los otros usuarios. Si los códigos elegidos tienen una baja correlación cruzada este ruido será pequeño


CDMA (IV)

Salto de frecuencia (FH-CDMA)El mensaje modula a una portadora cuya frecuencia es generada por un sintetizador, que está controlado por un código, a velocidad Tc

Transponder

Oscilador

Modulador

Sintetizadorfrecuencia

Generadorcódigo PN

Reloj

Datos

Sintetizadorfrecuencia

Generadorcódigo PN

FiltroB ancha

Filtropaso B Demod.

Sistema deSincronización

TransmisorReceptor

Datos

Señalensanchada

Tb : Periodo de bit. B = 1/T b

Th: Periodo de salto. Wss = 1/T hGanancia del proceso G = Wss/B


CDMA (V)

Sincronización (dos fases):Adquisición: la señal recibida es correlada (multiplicada, filtrada paso banda y detectada) con una secuencia generada localmente. Cuando la secuencia generada este en fase con la recibida, la autocorrelación será máxima y se habrá logrado la adquisición de la sincronización. Para conseguir esto se desplaza la fase de la secuencia generada en un chip Tc. Seguimiento: se utiliza básicamente un lazo enganchado en fase. Una técnica utiliza dos lazos, uno con un desfase de chip medios hacia delante p(t + Tc/2) y otro con el mismo desfase de retardo p(t – Tc/2), que multiplican a la señal de entrada. Las dos señales producidas atacan a un detector de envolvente, cuyas salidas son restadas para producir una señal de error, que una vez filtrada controla el avance o el retroceso del generador de secuencias.

Receptor RAKE Permite recibir a varios usuarios de forma simultanea Permite mediante integración simultanea de varios caminos poder realizar técnicas de cancelación de interferencias

Correlador 2

Correlador M

Correlador 1Z1

ZM

1

2 ( •)d tT

0∫ <

m’(t)Z2Z’ >


CDMA (VI)

Eficiencia de CDMASupongamos que las N portadoras recibidas son de la misma potencia C. La velocidad de información es Rb, la energía por bit es Eb = C/Rb.Considerando sólo la contribución del ruido de interferencia, N0 = (N-1)C/BN, BN ancho de banda equivalente del receptor = Rc/e (e: eficiencia espectral)

)1N(RB

NE

b

N

0

b

−=

)/()/(10NEe

RRNb

bcmax +=

La capacidad total de la red es NmaxRb. La capacidad de un único acceso modulado sin espectro ensanchado y ocupando el ancho de banda total es Rc

c

bmax R

RN=ηBN :36 MHz; Rb :64 Kbit/s; modulación BPSK, e:1 bit/s Hz,

Rc = 36 Mbit/s; Rc/ Rb :563; BER de 10-4, Eb/N0 : 8,4 dB,

Nmax: 82; capacidad total de 5,3 Mbit/s; eficiencia del 15 %

Ventajas: Protección frente a interferencias de otros sistemas y a los trayectos múltiples, No necesitan una sincronización entre transmisores ni en la red.

Inconvenientes:Necesidad de sincronización en el receptor y la complejidad de la misma. La baja eficiencia del sistema en comparación con otras técnicas.


TRMA (I)

Técnicas en redes con un número elevado de estaciones.Cada una de ellas transmite cortos mensajes generados de forma aleatoria casi sin ningún tipo de restricción.

Ráfagas de duración limitada que ocupan todo el ancho de banda Dos o más mensajes pueden colisionar en el satélitela estación terrena receptora debe identificar esa colisión y solicitar la retransmisión de los paquetes colisionados.

Las prestaciones de son medidas en términos de eficiencia (throughput) y retardo medio de transmisión

La eficiencia es la relación entre el volumen de tráfico ofrecido y la máxima capacidad del canal de transmisión. El retardo de transmisión es una variable aleatoria. Su valor medio indica el tiempo medio entre la generación de un mensaje y su recepción correcta en la estación de destino.

Usadas en redes privadas con pequeñas estaciones (redes VSAT).


TRMA (II)

Protocolo ALOHA; Paquetes de tamaño fijo sin restricción temporal.

Tiempo

B1☺

A1 B1

ACK A

Espacio

Estación B

A1

Satélite

Estación A

Estación C

A1

B1

ACK B

ACK A

ACK B

ACK A ACK B

Si no existe colisión, la estación terrena destino transmite un corto paquete de reconocimiento (ACK)

•Si existe colisión, la estación terrena destino no entiende el mensaje y no envía el reconocimiento.•Transcurrido un tiempo sin que la estación origen haya recibido el reconocimiento, ésta retransmite el mensaje Tiempo

B2

2☺

A2 B2

Espacio

Estación B

Satélite

Estación A

Estación C

A2

NACK

A2

B2

Retransmisióntras un tiempo aleatorio


TRMA (III)

Eficiencia (Throughput)El tráfico soportado S (paquetes correctamente entregados en el receptor) como función del tráfico total ofrecido G (paquetes originales y retransmitidos)

)G2(expGS −=Para mejorar la eficiencia se puede introducir una sincronización al sistema.

evitando que las colisiones se produzcan en cualquier intervalo de tiempo . Esa modificación se denomina ALOHA ranurado (SLOT-ALOHA).

)G(expGS −= Sólo puede existir superposición completa de paquetes.

S y G en número de paquetes por slot temporal

Colisión

2τ

τ

Tiempo

ColisiónTiempo

ALOHA,puro

ALOHA,ranurado

Diagramas de colisión


TRMA (IV)

Eficiencia de ALOHA, y S- ALOHA

Eficienciade canal S

Trafico ofrecido G (paquetes/slot)

18 %

36 %

10.5

ALOHA Ranurado

ALOHA

1050.05 0.10

0.5

(Paq/slot)


Cálculos del enlace.

Caracterización en transmisiónPIRE: Potencia Isotrópica radiada equivalente.

)dB(G)dBW(P )dBW(PIREg·)W(P )W(PIRE TTTT +==

(Km) d log 20 + (MHz) f log 20 + 32,45 = (dB) AEL

Densidad de potencia 22TT2

d4PIRE

d4g·P )m/W(

π=

π=Φ

Potencia recibida TRR A)dB(G )dBm(PIRE )dBm(P −+=

A g: Atenuación por gases A a: Otras atenuaciones (desapuntamiento, etc) ≅ 0,5 dB

Caracterización en RecepciónFactor de mérito de la estación terrena: )T(log10)dB(G )dB(

TG

SR −=

T S: Temperatura total de ruido del sistema de recepción.

agELT AAAA −−=

πλ

Φ=4

·g· P2

RR


Balance del enlace (I)

Relación portadora a ruido: C/N0 , C/N

)K(·log10)dB(A)dB(TG)dBW(PIRE )dB(

NC

T0

−−+= )Hz(B·log10NC )dB(

NC

0

−=

K: Constante de Boltzman = 1,38·10-23 w/K; -228,6 dBW/K

Balance del enlace ascendente: )K(·log10ATGPIRE

NC

US

TU0

−−⎟⎠⎞

⎜⎝⎛+=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

Balance del enlace descendente: )K(·log10ATGPIRE

NC

DT

SD0

−−⎟⎠⎞

⎜⎝⎛+=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

Temperatura de antena del satélite: 290 K; TS = TA + TR

Si se trabaja con reducción de potencia con respecto a saturación de los amplificadores de potencia.PIRET = PIRET, sat - IBOPIRES = PIRES, sat - OBOIBO: Input back-offOBO: Output back-off

SAT

SAT

Potencia de entrada

Potenciade salida

Transferencia del TWT

IBO

OBO


Balance del enlace (II)

Balance total del enlace:Considerando sólo ruido térmico

Considerando el ruido de intermodulaciónConsiderando además interferencias en ambos enlaces.

1

D0

1

U0

1

0

NC

NC

NC

−−−

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

Para calcular las ecuaciones anterior las relaciones portadora a ruido tienen que hacerse en veces.

1

IM0

1

D0

1

U0

1

0

NC

NC

NC

NC

−−−−

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

1

D,I0

1

U,I0

1

IM0

1

D0

1

U0

1

0

NC

NC

NC

NC

NC

NC

−−−−−−

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

vecesD0U0

0 ·········

NC1

NC

11·log10

NC

⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜

⎝

⎛

+

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛


Atenuación por lluvia. (I)

1. Cálculo de la altura efectiva de la lluvia, hR, para una estación de latitud ϕ:

2. Calculo de la longitud del trayecto oblicuo, L S

NorteHemisferioº230para5

23para)23–(075,0–5=(km)hR

⎭⎬⎫

⎩⎨⎧

≤ϕ≤°°>ϕϕ

KmPara θ ≥ 5°

Kmθ= cos·LL SG

θ−

=sen

SRS

hhL

3. Determinar la proyección horizontal, LG

4. Se obtiene el valor de R0,01. De los mapas de la UIT-R, si no se dispone de otros datos. En España entre 25 y 60 mm/h

5. Cálculo del factor de ajuste vertical, para el 0,01% del tiempo. v0,01 :

( )GLRG ef

Lr

201,0

138,078,01

1−−−

γ+

=r0,01 : factor de reducción horizontal, para el 0,01% del tiempo:

( ) ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

γ−θ+

=χ+θ− 45,0131sen1

1

2))1/((

01,0

fL

ev

RR

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −=ζ

>ζ= −

θ01,0

101,0

tgº;nosi

0si)( cos rLhh

L

rLKmL

G

SR

s

G

R grados;nosi0

º36si36 <ϕϕ−=χ


Atenuación por lluvia. (II)α=γ )R(k)km/dB(R

Los valores de k y α a frecuencias diferentes de las indicadas en la siguiente tabla se obtienen mediante interpolación logarítmica para la frecuencia y para k, y lineal para α.

6. Cálculo de la atenuación específica, γ R

Frec.(GHz)

KH KV αH αV

1 0'0000387 0'0000352 0'912 0'880

2 0'000154 0'000138 0'963 0'923

4 0'000650 0'000591 1'121 1'075

6 0'00175 0'00155 1'308 1'265

7 0'00301 0'00265 1'332 1'312

8 0'00454 0'00395 1'327 1'310

10 0'0101 0'00887 1'276 1'264

12 0'0188 0'0168 1'217 1'200

15 0'0367 0'0335 1'154 1'128

20 0'0751 0'0691 1'099 1'065

25 0'124 0'113 1'061 1'030

30 0'187 0'167 1'021 1'000

35 0'263 0'233 0'979 0'963

40 0'350 0'310 0'939 0'929

45 0'442 0'393 0'903 0'897

50 0'536 0'479 0'873 0'868

Para polarización circular los valores de k y α

k2kk

2kkk VVHH

CVH

Cα+α

=α+

=

7. La atenuación rebasada el 0,01% un año

dBL010A 010SR ;·%),( ,νγ=

8. La atenuación para otros porcentajes: *

9. El porcentaje p para un valor de Ap.( ))Α/Α(0,120,172+0,298+0,54611,628 0,0110= p·log

Rp10. Para pasar de porcentaje mensual anual:

15,1ma p·29,0p =

)log··,ap

ap010ApA 0,043+(0,5460,12=


Recomendaciones UIT-R. (I)

Indisponibilidad: Recomendación UIT-R S.579En transmisión digital en una velocidad inferior a la primaria (1,5 Mbit/s) BER promediada durante 1 s superior a 10–3 durante 10 s consecutivos o más.

En transmisión digital a la velocidad primaria (1,5 Mbit/s) o a una velocidad superior, cada segundo se considera un evento de segundo con muchos errores (SME). El SME se define como un segundo que contiene ≥ 30% de bloques con error.

La indisponibilidad del SFS debida al equipo no sea mayor del 0,2% de un año:

Causas relacionadas con el satélite, entre las que figuran los fallos parciales o completos de cualquiera de los sistemas de a bordo, además de las interrupciones debidas a eclipses;Causas relacionadas con las estaciones terrenas, incluido el fallo de cualquier equipo hasta el punto de interfaz con la red terrenal, e interrupciones causadas por errores humanos, por el paso del sol

La indisponibilidad debida a la propagación no sea mayor de 0,2% de cualquier mes para una dirección de un TDFR del SFS.


Recomendaciones UIT-R. (II)

Calidad. Los objetivos respecto a la proporción de bits erróneos incluyen los efectos debidos al ruido de interferencia, al ruido resultante de la absorción atmosférica y a la lluvia, pero excluyen el tiempo de indisponibilidad debido al equipo

La proporción de bits erróneos a la salida del trayecto digital ficticio de referencia, no exceda de los valores provisionales siguientes:Para Telefonía digital MIC Recomendación UIT-R S.522

1×10–6, valor medio durante 10 min, durante más del 20% de cualquier mes;

1×10–4, valor medio durante 1 min, durante más del 0,3% de cualquier mes;

1×10–3, valor medio durante 1 s, durante más del 0,05% de cualquier mes;

Para conexiones internacionales RDSI Recomendación UIT-R S.614 (UIT-T G.821)

1 × 10–7 durante más del 10% de cualquier mes,

1 × 10–6 durante más del 2% de cualquier mes,

1 × 10–3 durante más del 0,03% de cualquier mes


Recomendaciones UIT-R. (III)

Calidad. Recomendación UIT-R S.1062 (UIT-T G.826)Los enlaces por satélite existentes y futuros en las redes públicas con conmutación deben diseñarse/mejorarse, cuando sea posible, de acuerdo con los objetivos de calidad especificados en la presente Recomendación.

La probabilidad de bits erróneos (PBE) a la salida de un trayecto digital ficticio de referencia (TDFR) por satélite que opere a, o por encima de, la velocidad primaria, incluyendo 155 Mbit/s, no debe exceder, durante el tiempo total de los siguientes porcentajes.

(mes más desfavorable) porcentajes anuales (PBE)0,2 % 0,04% 1 × 10–6

2 % 0,6 % 1 × 10–8

10 % 4,0 % 1 × 10–9

Velocidad(Mbit/s) 1,5 a 5 > 5 a 15 > 15 a 55 > 55 a 160 > 160 a 3500

ESR 0,014 0,0175 0,0262 0,056 n.d

SESR 0,0007 0,0007 0,0007 0,0007 0,0007

BBER 1,05 × 10–4 0,7 × 10–4 0,7 × 10–4 0,7 × 10–4 0,35 × 10–4

comunicaciones por satelite

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