ICOIntermediate Circular Orbit

Sistemas de Comunicaciones Va Satlite. Ana Janeiro Meizoso

NDICE

1- Introduccin. 2- Segmento espacial. 2.1- Seleccin de la rbita. 2.2- Satlites. 2.3- Telemedida y telecontrol. 2.4- Lanzaderas. 2.5- El primer satlite 3- Segmento de tierra 3.1- SANs. 3.2- Terminales de usuario. 4- Bibliografa y referencias. Anexo- Contenido del CD.

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1- Introduccin.El objetivo del siguiente trabajo es presentar una visin sobre las constelaciones de satlites de rbita intermedia.ICO (Intermediate Circular Orbit). En los siguientes apartados se describirn las ventajas e inconvenientes de este tipo de sistemas as como ciertos aspectos caractersticos y curiosos. La ICO Global Communications fue creada en enero de 1995 como consorcio destinado a ofrecer comunicaciones mviles, por satlite, incluyendo servicios de voz, datos, fax. Originalmente fue pensada para comenzar a operar en el 2001, pero, despus de una inversin de cerca de tres billones de dlares, ICO, que tena a Teledesic como principal accionista, enfrent graves dificultades financieras que amenazaron la viabilidad del proyecto. La inyeccin de 1,2 billones de dlares por un grupo de inversores liderado por el canadiense Craig McCaw, y que incluye a 47 accionistas, salv la situacin. Naci, pues, la "Nova ICO" que planea iniciar la comercializacin de sus servicios en 2003. Adems de las llamadas por voz, la nueva estrategia de la empresa va a privilegiar los servicios de datos para el acceso Internet y telefona digital, adems de la oferta de servicios a la flota marina mercantil, a servicios gubernamentales y a las industrias petrolfera y de la construccin y otras. Construidos por la Hughes Aerospace, la constelacin de satlites ICO ser constituida por una docena de satlites, dos de reserva, operando en una rbita a altitud media de 10390 Km. Repartidos entre dos planos orbitales, inclinados 45 grados en relacin al ecuador y formado ngulos rectos entre ellos, los satlites permitirn una cobertura continua y sobrepuesta, circundando, individualmente, el planeta en aproximadamente seis horas.

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2- El segmento espacial.2.1- Seleccin de la rbita. El primer punto a tratar es en qu tipo de rbita situar la flota espacial. Las posibilidades tcnicas de hoy en da nos ofrecen tres posibilidades: LEO, MEO y GEO. En la siguiente tabla se hace una comparacin entre la altitud media de la rbita y el nmero de satlites necesarios para dar una cobertura global.

TIPO DE RBITA Altitud N satlites Perodo

LEO

MEO

GEO

700-2000 Km 8000-12000 Km 40-70 90 min 6-20 5-12 h

35786 Km 3-6 24 h

Casi todos los satlites de comunicacin actuales se encuentran en la rbita geoestacionaria (GEO). Los problemas que plantean los satlites geosncronos explican el gran inters despertado desde hace unos aos por los sistemas que utilizan satlites LEO, a altitudes menores de 1600 kilmetros, o MEO, de 10.000 a 16.000 kilmetros de altura. (Se evita la zona intermedia, donde el cinturn de radiacin de Van Allen amenazara el funcionamiento de los satlites). La proximidad de los satlites LEO les da notables ventajas sobre los satlites GEO que se estn utilizando en comunicaciones. El tiempo que tarda la seal en ir a las rbitas bajas y regresar es de centsimas de segundo, lo que reviste su inters si se compara con el cuarto de segundo que necesitan los datos para recorrer en ambos sentidos el camino a la GEO. Como posible

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consecuencia o aplicacin, sealaremos que esta rpida operacin har ms prctico y atractivo el acceso a redes y videoconferencias. Adems de ser ms rpidos que los GEO, los sistemas LEO pueden utilizarse con terminales ms pequeos, dado que el satlite suele estar unas 40 veces ms cercano a la Tierra. Ahora mismo, podemos destacar por su importancia tres nuevos sistemas mviles terrestres LEO y MEO dispuestos a ofrecer telefona y radiobsqueda global: Iridium, Globalstar e ICO, que es le que trataremos en este trabajo. La principal desventaja de los sistemas LEO y MEO es que los satlites cercanos a la Tierra cruzan el firmamento en una o dos horas, en vez de permanecer fijos en un punto (como los GEO). Para que la recepcin sea buena, los usuarios siempre han de poder ver al menos un satlite que est levantado sobre el horizonte; si el "ngulo de visin" es muy abierto, resultarn mnimas las prdidas causadas por rboles y edificios. Esta exigencia justifica el elevado nmero de satlites que han de emplear los sistemas LEO y MEO: cerca de 60 para las redes LEO (20 veces ms que un sistema GEO para cubrir todo el globo, y cinco veces ms que una red MEO o de rbita media). El coste de la construccin y el lanzamiento de estos satlites es muy alto, y han de adoptarse estrictas medidas para garantizar que los satlites abandonados y los despojos orbitales del lanzamiento no se conviertan en un peligro. Las figura que aparece en la siguiente pgina refleja las diferentes rbitas y las ICO dentro de ellas. La comparativa se establece atendiendo a la altura media de las mismas, y no a la constelacin y a su forma.

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Figura 1. rbitas

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Se escoge un tipo determinado de rbita MEO, rbita ICO (Intermediate Circular Orbit) ya que ofrece las siguientes ventajas, con un razonable nmero de satlites: 1- Elevado ngulo de elevacin de visin del satlite, que minimiza la probabilidad de bloqueo. 2- Visin simultnea de ms de un satlite, ofreciendo buena diversidad, de manera que podemos utilizar otro satlite en caso de bloqueo. 3- Movimiento relativamente lento de los satlites (1 grado por minuto desde el punto de vista del usuario), limitando el hand-off del sistema. 4- Una de las mayores ventajas que va a presentar la rbita media es que no es necesario colocar los satlites en una rbita de aparcamiento para luego trasladarlos hasta la rbita definitiva sino que el mismo vehculo de lanzamiento es capaz de llevar el peso del satlite (2600 Kg) hasta la rbita final. Esto permite simplificar el sistema estndar de propulsin del modelo HS 601 ya que no se hace necesario incluir un motor de apogeo. Gracias a esto podemos sustituir el tradicional motor de combustible lquido bipropelente por un motor ms simple de inyeccin directa que usa monopropelente.

ICO consta de 10 satlites operativos ms dos de reserva repartidos en dos planos orbitales ortogonales entre si e inclinados unos 45 sobre el Ecuador. La configuracin est diseada para dar cobertura a la totalidad de la superficie terrestre a cualquier hora y est dotada de diversidad espacial, con lo que el usuario dispone de ms de un enlace sin obstculos entre al menos dos satlites y su terminal mvil a la vez, ya que al menos 2 satlites (a veces tres y cuatro) se encuentran dentro del ngulo de visin del usuario. Cada satlite dar cobertura aproximadamente al 30 % de la Tierra en cada instante, y tendr ngulos de elevacin entre 40-50. En la siguiente figura se presenta con detalle los parmetros de una rbita MEO : min: ngulo de elevacin mnimo. Tu: Perodo de la rbita. hsat: altura del satlite.

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Figura 2. Parmetros de una rbita ICO Es interesante subrayar que la atenuacin debida a la distancia, trabajando a una frecuencia de 2GHz estn en torno a los 180 dB. En la figura siguiente, las zonas ms claras son cubiertas por un nico satlite a la vez, las segundas ms oscuras por 2 y las ms oscuras de todas por 3.

Figura 3.Cobertura del sistema de satlites.

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2.2- Satlites. El sistema estar formado por una flota de 10 satlites en rbita MEO, a 10355 km de altura, distribuidos en dos planos ortogonales de cinco satlites cada uno, con un satlite de reserva en cada plano (por tanto, tendr 12 satlites en rbita en total), operando en bandas S (2483.5-2500MHz) y L (1610-1626.5MHz). La construccin de los satlites se ha encargado a Hughes Space & Communications International, Inc., a partir de un contrato firmado en Julio de 1995. Se ha utilizado tecnologa digital incluso en funciones hasta ahora analgicas como la canalizacin y la generacin de haces. Algunos parmetros de los satlites son los siguientes: Nmero de haces. Cada satlite dispone de 163 haces con un margen de 8 dB cada uno, que permiten la reutilizacin de frecuencias y un mejor aprovechamiento del espectro.

Figura 4 .Planificacin celular para 37 canales Masa y energa. El peso total del satlite en la lanzadera es de 2600 Kg. Adems, no se utiliza rbita de transferencia, evitando entre otras cosas el uso de motor de apogeo.

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La energa del satlite se generar a travs de dos paneles solares desplegables (alas) que constarn a su vez de cuatro clulas de Arseniuro de Galio protegidas mediante una capa de cristal y que sern capaces de proveer una potencia til de 8500 vatios. Dichos paneles solares utilizan una tcnica de seguimiento solar, de tal forma que las clulas siempre se encuentren apuntando al sol y mientras las antenas se mantienen apuntando a la Tierra. Adems, dependiendo de la temporada, los satlites efectuarn un giro sobre su eje longitudinal (guio) que se realizar en las horas de menor influencia solar (noche y madrugada de cada uno de los satlites) para optimizar el aprovechamiento de energa (tanto en los dispositivos trmicos como en los solares).

Figura 5.Antenas y paneles solares.

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Antenas Se encuentran separadas antenas de transmisin y recepcin, permitiendo una ms fcil produccin y mejor proteccin contra la intermodulacin que las antenas de transmisin/recepcin combinadas.

Figura 6. Direct Radiaton Array Los DRA (Direct Radiation Arrays) son antenas especialmente diseadas en los laboratorios de Hughes Space and Communications. Se trata de arrays activos en Banda S que permiten al satlite formar hasta 163 rayos independientes y simultneos para la comunicacin directa con los usuarios. Estas antenas estn formadas principalmente de aluminio, y miden aproximadamente 3'05 metros de ancho y 2'30 metros de alto. Las antenas se hallan sobredimensionadas dos metros. Cada satlite dispone de un par de este tipo de antenas colocadas juntas en la cara del satlite que apunta a la Tierra. La duracin del proceso de fabricacin de una antena es aproximadamente de 2 semanas.

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Frecuencias de Servicio Se han seleccionado las bandas S (2483.5-2500MHz) y L (1610-1626.5MHz). para proporcionar MSS (Mobile Satellite Services). n la banda L (1.6 a 1.626 GHz) transmitirn los usuarios hacia los satlites y stos lo harn hacia los usuarios en la banda S (2.483 a 2.5 GHz), mientras que los telepuertos se comunicarn con los satlites, y viceversa, en la banda C (5.091 a 5.250 GHz para el enlace ascendente y 6.700 a 7.075 GHz para el descendente). Frecuencias de Control y Capacidad. Cada uno de los satlites dispone de un dispositivo en banda C y S, con un total de 5100 watios de potencia y con un PIRE de 58 dBw capaz de cursar 4500 llamadas simultneas usando la tcnica de acceso mltiple TDMA. La canalizacin, enrutamiento y apuntamiento del sistema en banda S se llevar a cabo mediante un procesador digital incorporado que segn los fabricantes es ms potente que 600 PentiumIII a la vez. Como se ha dicho, este procesador es capaz de manejar 4500 llamadas usando hasta 163 rayos con apuntamiento independiente, con un ancho de banda total de aproximadamente 30 MHz. (dependiendo de las necesidades de trfico en cada instante), estos rayos se generan a partir de arrays de antenas (que son diferentes en transmisin y recepcin, lo cual dota al sistema de una mayor robustez frente al ruido de intermodulacin. Cada una de estas antenas dispone de 127 elementos radiantes con filtros paso-banda asociados a cada uno de ellos, la amplificacin de las seales se realiza a travs de amplificadores de bajo ruido en recepcin y con amplificadores de estado slido de alta potencia en transmisin. Todos estos elementos permitirn al sistema disponer de un exceso de potencia medio en los enlaces de 10 dB y mnimo de 8 dB.

Tiempo de vida El tiempo de vida de uno de estos satlites es aproximadamente de 12 aos.

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2.3- Telemedida y telecontrol. El centro de control de satlites (SCC, Satellite Control Centre) permitir al sistema ICO seguir los movimientos de los satlites y corregir sus rbitas. Adems se podr controlar el estado general de los satlites a partir de informacin recogida sobre potencia, temperatura, estabilidad y otros parmetros. El SCC controlar tambin el lanzamiento y puesta en rbita de los satlites. Otra de las funciones importantes del SCC ser controlar la alimentacin de las antenas, de manera que se pueda reconfigurar la frecuencia y los haces dependiendo de la densidad de trfico. 2.4- Lanzaderas. Inicialmente se han escogido las lanzaderas Atlas IIA, Delta III, Proton and Zenith Sea.

Figura 7. Lanzadera ATLAS IIAS

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2.5- El primer satlite. Es interesante analizar el fracaso que supuso el lanzamiento del primer satlite ICO. El primer lanzamiento de un satlite de comunicaciones ICO finaliz a 2600 millas del punto de lanzamiento, en el Ocano Pacfico un poco despus de la segunda fase de separacin. Este satlite inicial valorado en unos 100 millones de $ iba a usarse para un anlisis global del sistema antes de lanzar otros 10. El lanzamiento tuvo lugar a las 6:49 desde una plataforma sobre el mar localizada en el Ecuador a aproximadamente 1400 millas al sudeste de Hawai.

Figura 8. Plataforma de lanzamiento Odissey.

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Figura 9. Plataforma de lanzamiento y Barco. Esta plataforma de lanzamiento, una antigua plataforma petrolfera est situada en el Pacfico Sur para aprovechar el movimiento de rotacin de la Tierra, ya que como la superficie de la Tierra se mueve ms rpido en el Ecuador, el cohete es capaz de conseguir en mximo impulso precisamente de esta fuerza de rotacin. Esto significa que hace falta menos combustible para alcanzar la rbita, lo cual se traduce en un menor peso.

Figura 10.Cohete Zenith 3SL

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La telemetra con el cohete se perdi slo unos pocos minutos despus del lanzamiento. Segn las primeras investigaciones, el fallo se debi al mal funcionamiento del bloque DM-SL. En el siguiente dibujo se ven de una modo esquemtico las distintas etapas de la puesta en rbita del satlite, y dnde se produjo el fallo.

Figura 11. Fases del lanzamiento. Las fases del lanzamiento y puesta en rbita del satlite se resumidas en los siguientes apartados: pueden verse

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T+0:00:00 El motor de la etapa RD-171 se enciende y el cohete Zenith 3SL despega de la plataforma de lanzamiento Odyssey en al Pacfico se dirige hacia el sudeste con el satlite ICO-F1. T+0:02:25 La primera etapa del cohete se separa de la segunda la cual enciende el motor de la RD-120 y contina su viaje hacia la rbita. T+0:02:58 La cubierta que protege al satlite durante su ascensin por la atmsfera se separa pues ya no se va a necesitar ms. T+0:09:04 Una vez terminado su trabajo la segunda etapa del siete se desprende para caer a la Tierra. T+0:09:14 La tercera fase del cohete, el bloque Ruso DM-SL enciende la primera fase motor para comenzar a situar la satlite dentro de la rbita. Parece ser que fue en esta fase en la cual surgieron los problemas con el primero de los satlites. T+0:17:01 El DM-SL apaga el primera fase de encendido y pone al satlite a orbitar alrededor de la Tierra. T+1:57:01 El DM-SL vuelve a encender su motor para colocar al satlite en la rbita MEO propiamente dicha.15

T+1:59:21 El DM-SL se apaga definitivamente despus de haberse encendido por segunda vez. Esto completa los pasos necesarios para poner finalmente al satlite en la rbita. T+2:09:21 Finalmente el bloque DM-SL se separa del satlite ICO-F1. Este era slo el tercer lanzamiento utilizando el cohete Zenith 3SL, y los dos anteriores, utilizando un satlite de pruebas, haban salido bien. Aunque ninguna de las compaas da una razn clara, parece que el problema provena de alguna de las fases a ejecutar en la lanzadera. De todos modos el 1 de junio del 2001 el primer satlite ICO fue lanzado con xito.

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3- El segmento de tierra.3.1- SANs (Satellite Access Nodes). Los satlites se interconectarn con una red terrestre llamada ICONET a travs de 12 estaciones terrenas, SANs (Satellite Access Nodes) distribuidas por todo el mundo.

Figura 12.Antena correspondiente a una estacin terrena situada en Corea En cualquier momento, cada satlite estar en contacto directo con un nmero de SAN's comprendido entre 2 y 4. Antes de que el satlite salga del ngulo de visin de una SAN, se establece el contacto con otra SAN, que se encargar de su seguimiento.

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Las SANs disponen de las antenas necesarias para permitir la comunicacin con los satlites y equipos de conmutacin que encaminen las llamadas a las gateways (puntos de interconexin entre ICONET y las redes terrestres) adecuadas. Los elementos principales de una SAN son: 1.Cinco antenas, con el equipo necesario para establecer las operaciones de telemando y telecontrol sobre los satlites 2.Equipo de conmutacin con ICONET y las Gateways; 3.Bases de datos, que permitan la gestin del servicio. Contendrn la informacin de los usuarios registrados en esa SAN (en GSM se conoce como VLR, Visitor Location Register). Cada SAN se encargar de seguir los satlites, proporcionando al usuario la conexin ptima, y encargndose de la ejecucin de las operaciones de hand-off. La red ICONET se controlar desde el NMC, Network Management Centre. El diseo y construccin de las SANs y el NMC ser llevado a cabo por un consorcio integrado por NEC, Hughes Network Systems y Ericsson. A primera vista, 12 SANs podran parecer un nmero escaso para cubrir toda la superficie terrestre; pero como los satlites estn situados en rbitas suficientemente altas (10390 Km) lo que hace que la cobertura de cada satlite sea grande. La interconexin de los satlites con las redes terrestres y con ICONET se lleva a cabo por las SANS. Un aspecto crtico del sistema ICO ser su integracin con las redes pblicas mviles (PLMN, public land mobile networks). Generalmente la red de satlites se ver como un complemento a las PLMN en aquellas zonas donde estas no son operativas. El sistema que implementa la red ICONET para controlar la movilidad de los usuarios y proporcionar roaming en todo el mundo est basado en el estndar digital europeo GSM. Los HLR (Home Location Register) en coordinacin con los VLR (Visitor Local Register) verificarn la identidad del usuario y lo localizarn en cualquier parte del mundo. Cuando un terminal se activa enva una seal va satlite a su HLR que verificar al usuario y le permitir acceder al sistema. Posteriormente se registrar al18

usuario en la VLR de la SAN correspondiente. La otra funcin de la HLR es comunicar la situacin de la VLR a la SAN que se encarga de gestionar la llamada. En la descripcin general se ha hablado de que cada SAN dispone de los registros HLR y VLR que permite el control de la movilidad del usuario, siguiendo el estndar GSM. De forma que cuando un SAN empieza a perder de vista el satlite con el cual se est comunicando debe realizar un hand off, es decir, contactar con otro satlite que est "visible". Considerando esto, vemos que en ICO, debido a la altura considerable de las rbitas, el tiempo que un satlite puede verse desde un punto determinado de la Tierra es mayor que en otros sistemas que utilizan rbitas ms bajas (LEO). Por eso, el nmero de hand off que deber realizar el SAN ser menor, lo cual aumenta la calidad del sistema. A modo de resumen, el funcionamiento sera el siguiente: Cuando la llamada viene de un abonado al sistema ICO, el satlite que recibe con mayor amplitud la seal de los 2, 3 e incluso 4 que pueden estar cubriendo al abonado al mismo tiempo, es el que se encarga de enviarla al SAN ms prximo, que ser quien se encargue de comprobar la validez de su solicitud de conexin y que adems se encargar de encaminar la llamada a otro abonado del sistema o a otras redes terrestres. Cuando la llamada proviene de una red terrestre, el SAN correspondiente es el encargado de encaminar la llamada hacia el SAN ms cercano al lugar donde se encuentra el abonado de destino. Ser este ltimo quien se encrgue de enviar la seal al satlite para que ste la enva hacia el abonado de destino. Con se ha mencionado en prrafos anteriores, ICONET utiliza para seguir al abonado en cada momento un sistema basado en el estndar GSM. La red ICONET se manejada desde el centro NMC (Network management center) ubicado en Japn y los satlites desde un centro ubicado en Londres. Este ltimo debe encargarse de monitorear la posicin de los satlites, su temperatura, la energa con que cuentan, y asegurarse de que se encuentran en su rbita.

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3.2- Terminales de usuario. Telfonos de bolsillo. La mayora de los terminales de usuario del sistema ICO sern de bolsillo, con posibilidad de funcionamiento dual (con satlites y redes celulares terrestres) y con tamao, apariencia y calidad de voz similar a los sistemas celulares terrestres digitales actuales. El telfono porttil dispondr adems de puertos externos de datos y un bffer de memoria interno que soporte funciones de mensajera, comunicacin de datos y uso de tarjetas identificadoras (SIM). Por supuesto, cada terminal cumplir con las normas vigentes de proteccin en equipos de radiofrecuencia. Transmitirn aproximadamente 0.25 W (sobre los 0.25-0.6 W que transmiten los porttiles actuales). En la siguiente figura se presentan algunos modelos de telfonos para el sistema ICO.

Figura 13. Telfonos mviles ICO.

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Otros terminales. La tecnologa utilizada en los telfonos porttiles puede extenderse a otro tipo de terminales, en vehculos terrestres, martimos y areos, fijos y semifijos para facilitar las comunicaciones en zonas remotas.

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4- Bibliografa y referencias.Todos los datos y fotos han sido obtenidos de Internet. Tambin han sido consultados los trabajos de la asignatura de Sistemas de Comunicaciones Va Satlite de otros cursos, y los correspondientes a la asignatura equivalente que se imparte en la Universidad Politcnica de Valencia. Algunas direcciones consultadas han sido las siguientes: www.ico.com www.hughespace.com/ www.inmarsat.com www.ee.surrey.ac.uk/Personal/L.Wood/constellations/overview.html#minim www.flatoday.com/space/explore/stories/2000a/040700f.htm www.space.com/missionlaunches/launches/atlas_launch_010619.html www.boeing.com/defense-space/space/delta/delta3/delta3.htm www.boeing.com/defense-space/space/delta/record.htm www.sea-launch.com/ http://news.bbc.co.uk/hi/english/sci/tech/newsid_675000/675359.stm www.floridatoday.com/news/local/stories/2000/mar/loc031300a.htm www.ico.com/press/releases/200003/000312.htm www.ee.surrey.ac.uk/Personal/L.Wood/constellations/overview.html#odyssey http://biz.yahoo.com/n/i/icof.html www.boeing.com/defense-space/space/bss/factsheets/601/601fleet.html www.boeing.com/special/sea-launch/information.htm www.nearfield.com/index.htm

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Anexo.El CD que se adjunta con el trabajo contiene: Fichero .pdf con el trabajo. Fichero .ppt con la presentacin en Powerpoint Carpeta con las imgenes utilizadas. ICO.pdf. ICOpres.ppt Imgenes.

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