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Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06 1 Tema 6 Sistemas de comunicaciones por satélite

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Page 1: ST-Satelite

Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06 1

Tema 6Sistemas de comunicaciones por satélite

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Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06 2

• Introducción (Evolución y conceptos básicos)

• Estructura de un sistema de comunicaciones porsatélite

• Operación de un sistema de comunicaciones porsatélite

• Redes de comunicación por satélite

• Sistemas de satélites NO GEO

• Servicios por satélite

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Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06 3

Un poco de historia

• Fuerza gravitatoria = Fuerza centrífuga

1929

GM m

d2

= M d 2

• d = 35.806 Km

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Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06 4

• Hermann Noordung en 1929(The Problem of Space Fight, The Rocket Engine)– Describe el concepto de órbita geoestacionaria.

• Arthur C. Clarke en 1945 (Extraterrestrial

Relays, Wireless World)– Describe el uso de la órbita geoestacionaria para

comunicaciones (actualmente la más usada por lossatélites de comunicaciones)

– Describe la cobertura global usando 3 satélitesa 120 grados (sistemas DRSS (USA) y DRS(ESA))

Un poco de historia

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Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06 5

1957 (4 de Octubre) SPUTNIK I (URSS)

Se inicia la carrera del espacio

1958 SCORE (Signal Communicating by Orbiting Relay Equipment) USA - órbita elíptica baja, 8 W, 35 días

1960,1964 ECHO (I,II) Repetidores pasivos (30 m) AT&T

1962,1963 TELSTAR (I,II) Repetidor en tiempo real: transpond., AT&T- se inicia el uso de la banda C

1963,1964 SYNCOM I,II,III – Geoestacionario NASA + DoD

1965 INTELSAT I (Early Bird) utilización comercial

Un poco de historia

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Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06 6

1965 MOLNYA (URSS)- órbita elíptica de 12 horas

Durante los años 70 y 80 se utilizó la órbita GEO en banda C.

Al saturarse la banda C, comienza la explotación de la banda Ku.

Se crean consorcios de explotación comercial(INTELSAT, INMARSAT, EUTELSAT).

La WARC dividió la órbita GEO y asignó posiciones a cada país.

En la década de los 90 surgieron aplicaciones móviles y de internet consatélites de órbitas bajas e intermedias que no lograron una implantacióncomercial.

Un poco de historia

1992 Lanzamiento HISPASAT 1A

Page 7: ST-Satelite

Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06 7

S a t é l i t e INTELSAT I INTELSAT II INTELSAT III INTELSAT IV INTELSAT V INTELSAT VI

1er lanza. 1965 1967 1968 1971 1980 1986

Peso (kg) 34 76 152 595 1020 1800

Pot (W) 46 85 125 569 1220 2100

BW (tot) MHz 50 130 360 450 2250 3360

#Circ.Telef. 240 240 1500 5000 24000 33000

Evolución SatélitesINTELSAT

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Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06 8

• Servicio Fijo• Servicio Móvil (marítimo, terrestre y

aeronáutico)• Servicio de Radiodifusión (sonido e imagen)• Servicio de Radiodeterminación• Servicio de Exploración de la Tierra

– Meteorología– Geodesia– Exploración de recursos

• Servicio de Exploración del Espacio• Servicio de Radioaficionados• Servicio Entre Satélites

Servicios por Satélite

Page 9: ST-Satelite

Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06 9

BANDAS

MICROONDAS

L 1 - 2 GHzS 2 - 4 GHzC 4 - 8 GHzX 8 - 12 GHzKu 12 - 18 GHzK 18 - 27 GHzKa 27 - 40 GHz

Nº Símbolo Frecuencia

8 VHF 30 - 300 MHz9 UHF 300 - 3000 MHz10 SHF 3 - 30 GHz11 EHF 30 - 300 GHz

Denominación Bandas deFrecuencia

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Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06 10

Ubicación de Satélites

Page 11: ST-Satelite

Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06 11

Tiposdeórbita

Altura sobre el nivel del mar Velocidad delsatélite

Función delsatélite

Ventajas

Órbitabaja

250-1 500 km 25 000-28 000km/hr.

•Comunicaciones yobservación de laTierra.

Poco retraso en las comunicaciones. Serequiere menor potencia.

Órbitapolar

500-800 km sobre el eje polar 26 600-27 300km/hr.

•Clima•Navegación.

Están perpendiculares sobre la línea delEcuador, por lo que pueden observardistintas regiones de la Tierra.

Órbitageo-estacionaria

35 786 km sobre el Ecuador 11 000km/hr. •Comunicaciones

•Clima.•Navegación•GPS.

Al dar la vuelta a la Tierra a su mismavelocidad, siempre observa el mismoterritorio

Órbitaelíptica

Perigeo (cuando está más cerca de laTierra) 200- 1 000 km Apogeo (cuandoestá más lejos) ~ 39 000 km

~34200km/hr.~5 400km/hr.

•ComunicacionesServicios a grandes latitudes.

Tipos de órbita

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Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06 12

Visibilidad desde Hispasat 1C

Visibilidad Cobertura

Page 13: ST-Satelite

Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06 13

REDTERRENAL

EstaciónTerrena

TX

ENLACEASCENDENTE

ENLACEDESCENDENTE

SEGMENTO TERRENO SEGMENTO ESPACIAL

REDTERRENAL

EstaciónTerrena

RX

Estructura sistema decomunicaciones por satélite

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Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06 14

Estructura de un satélite

• Plataforma (carrocería y motores, común en muchossatélites)

• Carga útil La carga útil es la razón de ser delsatélite, es aquella parte del satélite

que recibe, amplifica y retransmite lasseñales con información útil(TRANSPONDEDORES)

Page 15: ST-Satelite

Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06 15

Subsistemas de plataforma• Subsistema de Estructura: Se construye con metales muy ligeros que a la vez tienen gran

resistencia.

• Subsistema de Propulsión: Compuesto por múltiples motores o impulsores de bajo empuje,que sirven al satélite para realizar pequeñas correcciones y cambios de velocidad paracontrolar su orientación en el espacio y proporcionar el control adecuado de los parámetrosde la órbita.

• Subsistema de Control de orientación: Este sistema permite al satélite saberconstantemente donde está y hacia donde debe orientarse para que las emisiones lleguen a lazona deseada, considerando su natural movimiento Norte-Sur y Este-Oeste alrededor de unpunto. Además, orienta los paneles solares hacia el Sol, sin importar cómo esté posicionadoel satélite.

• Subsistema de Potencia. Como fuente de energía secundaria, las baterías proveen energíasuficiente para alimentar a los sistemas e instrumentos cuando la energía proveniente del Solno puede ser aprovechada. La fuente primaria de energía para el satélite lo constituyen lasceldas solares que son colocadas en grupos para conformar lo que se conoce como panelsolar.

• Subsistema de Telemetría, seguimiento y control Es el encargado de contactar con lasestaciones terrenas del centro de control. Esto permite el correcto mantenimiento de lossubsistemas del satélite.

Page 16: ST-Satelite

Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06 16

Cuerpo interior estabilizado a Tierra

Tambor exterior rotatorio

Tierra

Volantes de Inercia

Estabilizado por spin Estabilizado en tres ejes

Mantenimiento de laOrientación

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Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06 17

Flujo solar en GEO: 1.39 KW/m2

Eficiencia: 10 al 15 %

SolMenor número de

células (1/3)

Se requiere mayor número de células

Ej: INTELSAT IV

Ej: INTELSAT V

Generación de Energía

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Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06 18

ANTENA Rx ANTENA TxBPF BPFTWTA

Transpondedores Transparentes

BPF PSK

DEMOD

PSK

MODBPF BPFTWTA

ANTENA Rx ANTENA Tx

Transpondedores Regenerativos

Carga útil:Arquitecturas de Transpondedores

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Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06 19

LNA Low Noise Amplifier (amplificador bajo nivel de ruido)

DRV Amplificadores previos

HPA High Power Amplifier (amplificador de potencia TWTA)

IMUX Multiplexor de entrada

OMUX Multiplexor de salida

OL

LNAIMUX

AMP DRV HPAOMUX

OL

fu fd

OL

LNAIMUX

AMP DRV HPAOMUXfu fd

Carga útil:Características de los TPDs

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Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06 20

Características de lostranspondedores

• Respuesta en frecuencia plana

• Retardo de grupo constante en toda la banda

• LinealidadEl punto de trabajo, para potencia máxima de salida, es el punto de saturación.

Para establecer el punto de trabajo se definen los Backoff de entrada y salida

como:

ibopire

pire saturación=

obopire

pire saturación=

obo

iboPisat

Posat

input

output

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Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06 21

Antenas

• De hilo (monopolos, dipolos) para TT&C

• Bocinas (haz ancho, cobertura global)

• Reflectores (haz más estrecho)

• Arrays (cobertura puntual)

Haz puntualAntenas de apertura:

2

4 AG =

4

2D

A=

DdB

70)(º3=

)(º)(º

48360

21

=G

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Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06 22

Antenas de HISPASATAntenas de HISPASAT

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Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06 23

Terminal de usuario

Procesador

TV

LNB

RF IFIF BB

RF

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Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06 24

Estación terrena receptora

DemoduladorLNBSalida de datos

FIRF

El LNB suele tener una figura de ruido comprendida entre los 0,5 y 1 dB

G/T = Gr-10log (Ta + Tr)

Page 25: ST-Satelite

Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06 25

Recepción en antena colectiva

Se puede usar también TDT como cabeceras. Estos elementos convierten la señal QPSK en QAM, optimizando su transmisión por la red de cable colectiva

Page 26: ST-Satelite

Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06 26

Estación terrena transmisora

ModuladorConversor

Hacia arribaHPA

Señal de datos

QPSK si se usa DVB-S

FI RF

PT

P 8W => SSPA P > 8W => TWT

La potencia de transmisión (PT ) siempre se mide a la entrada de la antena

PIRE

PIRE = PT + GT

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Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06 27

modulador

Entrada digital Salida Analógica

• Modulaciones de angulares(fase/frecuencia) (PSK)

• Modulaciones de amplitud (ASK)

• Modulaciones híbridas

Modulaciones

Page 28: ST-Satelite

Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06 28

QPSK

00

1011

01

2 bits/simbolo

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Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06 29

Modulación R/W (bps/Hz)

PAM, ASK 2log2M

QAM log2M

PSK log2M

FSK (2log2M)/M

o

(John G. Proakis: ‘Digital Communications’)

Resumen modulacionesdigitales

==00

2

2

1

, N

EQ

N

EerfcP bb

b QPSKBPSK

0

senN

E

MerfcP s

sMPSK

Con codificación Gray:M

PP

sb

2log

Cuando la demodulación es coherente :

P erfcM

E

Ns

s2

0

sen

Si la demodulación es diferencial:

P erfcM

E

Ns

ssen

2 0

M-DPSK

Page 30: ST-Satelite

Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06 30

Page 31: ST-Satelite

Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06 31

Lae -> Latitud Norte de la estación

Loe -> Longitud Oeste de la estación

Las -> Latitud Norte punto subsatélite

Los -> Longitud Oeste punto subsatélite

cos( ) cos cos cos( )

sin sin

= +L L L L

L L

ae as oe os

ae as

d rr

r

r

r

Elsin

r

r

r

r

s

e

s

e

s

e

s

e

s

= +

=

+

1 2

1 2

2

2

cos

cos

cos

d

Estación

Centro

Tierra

Horizonte

local

Punto subsatélite

El

re

rs

Elevación y distancia

Page 32: ST-Satelite

Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06 32

La particularización de las expresiones anteriores a

la geometría de la órbita geoestacionaria resulta:

)cos(cos)cos( osoeae LLL=

Kmd cos30254.002288.142157=

d

sinEl =

42157cos

Elevación y distancia enGEO

Page 33: ST-Satelite

Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06 33

Para un satélite geoestacionario: llamando l a la diferencia de longitudes

L la latitud de la estación y al ángulo central entre la estación y el

punto subsatélite se tiene.

s l L

tansin s sin s L

sin s sin s l

= + +

=

1

2

2 1

12

( )

( ) ( )

( ) ( )

1) SS al SO de laET Az=180 +

2) SS al SE de la ET Az=180 -

3) SS al NO de la ET Az=360 -

4) SS al NE de la ET Az=

Cálculo delAcimut

Vertical

local

Norte

Este

El

Az

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Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06 34

Ajuste de la polarización

Se ajusta girando el LNB respecto a la línea deapuntamiento hacia el satélite en el sentido de lasagujas del reloj.

Page 35: ST-Satelite

Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06 35

d

Centro

Tierra

Horizonte

local

Punto subsatélite

El

re

rs

( )2 17 4

5 76 3

=

= =

max

El

.

.

o

o o

( )

Angulo de Visión( )sin

r

sin El

r

sinr

rEl

e s

e

s

=+

=

90

1cos

GEO

Page 36: ST-Satelite

Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06 36

La

titu

d E

sta

ció

n

Ábacos (Elevación)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

80 70 60 50

50

40

40

30

30

30

20

20

20

10

10

10

10

ELLongitud relativa

Ejemplo:Lae= 15º|Loe-Los|= 10º= 17.96º

El= 68.92º

Page 37: ST-Satelite

Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06 37

1) SS al SO de laET Az=180 +

2) SS al SE de la ET Az=180 -

3) SS al NO de la ET Az=360 -

4) SS al NE de la ET Az=

Latitud

Estación

Longitud relativa

0 10 20 30 40 50 60 70 800

10

20

30

40

50

60

70

80

80

8070

70

70

60

60

50

50

40

40

30

30

20

20

10

10

alfa

1) SS al SO de laET Az=180 +

2) SS al SE de la ET Az=180 -

3) SS al NO de la ET Az=360 -

4) SS al NE de la ET Az=

Latitud

Estación

Longitud relativa

0 10 20 30 40 50 60 70 800

10

20

30

40

50

60

70

80

80

8070

70

70

60

60

50

50

40

40

30

30

20

20

10

10

alfa

Ábacos(Acimut)

Page 38: ST-Satelite

Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06 38

Balance de enlace

I. Estación terrena del enlace ascendente

II. Enlace ascendente (uplink)

III. Satélite

IV. Enlace descendente (downlink)

V. Estación terrena del enlace descendente

Page 39: ST-Satelite

Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06 39

Enlace ascendente (uplink)

• Definido entre la salida de la antena de la estación del enlace ascendente y laentrada de la antena receptora del satélite.

• Dada la gran distancia entre estos dos puntos, la potencia interceptada por laantena del satélite es muy pequeña (atenuación en espacio libre ~ 207 dB.Banda Ku)

• Además de la pérdida en espacio libre existen pérdidas por vapor de agua. Unbalance de enlace puede suponer una pérdida de 3dB por este concepto. Estáspérdidas dependen de la localización geográfica del enlace y son adecuadaspara un determinado porcentaje de tiempo que se conoce comoDISPONIBILIDAD DEL ENLACE.

Page 40: ST-Satelite

Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06 40

Enlace descendente(downlink)

• Definido entre la salida de la antena transmisora del satélite y la entrada de laantena receptora de la estación del enlace descenderte.

• Cabe destacar las mismas consideraciones que para el enlace ascendente.– Dada la gran distancia entre estos dos puntos, la potencia interceptada por la antena

del satélite es muy pequeña (atenuación en espacio libre ~ 207 dB. Banda Ku)

– Además de la pérdida en espacio libre existen pérdidas por vapor de agua. Unbalance de enlace puede suponer una pérdida de 3dB por este concepto. Estáspérdidas dependen de la localización geográfica del enlace y son adecuadas para undeterminado porcentaje de tiempo que se conoce como DISPONIBILIDAD DELENLACE.

Page 41: ST-Satelite

Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06 41

40000 km

Ta=50ºK

TLNA=20ºK

Pt= 8 dBW

Gborde= 16 dBi

OBO= - 3 dB

( ) ( )

FlujoPIRE

R

dBW m

=

= +

=

4

8 16 10 4 20 4 10

139

2

7

2

log log

/

( ) { }( )C

NdB umbral dB C N dB= + =11 7 3 3 18Margen ,

( ) ( )N kT B dBWs= = + + + =2286 10 20 50 10 36 10 13466. log log .

[ ] ( )[ ] [ ] [ ] [ ]C C N N Flujo Ar= + = +

[ ] ( ) ( )A dBmr= + =18 1346 139 3 254

2. .

( )

A m D mr= = =10 5334 26

25 4 10 0 65

10 2

. log .

.

( )[ ] ( ) ( ) ( )G T D dBK= + =10 0 65 20 10 70 40 5 1log . log log .

=65%

Banda C

4 GHz

B=36MHz

Balance 1: Intelsat IV-A

Page 42: ST-Satelite

Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06 42

3ºx6ºPt=5 W

D=6 m

Ts=120 ºK

( ) ( )( ) ( )

( )( )

C NR m f GHz

dB

= + +

+ =

10 5 29 248 204

03

2286 10 3610 1736

log . log.

. log .

Margen = 17.3 - 11 = 6.3 dB (FM)

Si D=3 m Ge 6dB y Margen 6 dB. Si extendemos

umbral a 8.5 dB Margen 2.5 dB

Por tanto pueden usarse antenas de 3 m con Margen de 2.8 dB

( ) ( )G T dBKe= =46 10 120 248 1log .

dBi 463.0

46log20)65.0log(10 =+= GHzm

Ge

G dBis= =10 0 62

48360

3 632log .

G dBiborde= =32 3 29B=36MHz

Balance 2: Satélite doméstico USA

Page 43: ST-Satelite

Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06 43

Redes de comunicación porsatélite

• Sistemas SCPC / MCPC• Enlaces punto a punto• Redes malladas• Redes en estrella

– Redes VSAT

Page 44: ST-Satelite

Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06 44

dBBfN

C

N

Sc

io

)log(10)log(204.95 ++=

Telefonía SCPC/FM:

• Se utiliza una portadora para transmitir unúnico canal

• Para ahorrar potencia en el satélite, se activala portadora sólo cuando hay señal en el canal

Analógicos: SCPC/FM

• Digitales: SCPC/QPSK

Incluye ponderación sofométrica y pre/de-énfasis: 8.8 dB

fm= 3400 Hz

B = 2 (fm + fc)

Sistemas SCPC

Page 45: ST-Satelite

Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06 45

Sistemas MCPC

EncapsuladorMUX

Modulador HPAConversorTDM

Diferentes canales en una única portadora

Page 46: ST-Satelite

Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06 46

Estación HUB VSATVSAT

VSAT

TDM

RA/TDMA

- antena

- amplificadores

- OL, ...

Unidad

exterior

Unidad

interior

Equipo BB

Redes VSAT• Redes de comunicaciones

por satélite con terminalesde tamaño reducido (VerySmall Aperture Terminal)

outbound

inbound

Page 47: ST-Satelite

Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06 47

El plan de frecuencias ha sido establecido por la ITU: - Banda C o banda Ku para aplicaciones civiles. - Banda X para aplicaciones militares. - Banda Ka para sistemas experimentales.

Frecuencias para redesVSAT

Page 48: ST-Satelite

Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06 48

Técnica Throuhput máx. Retardo

Aloha 18% < 0.5 s

S-Aloha 36% < 0.5 s

R-Aloha 60-90% < 2 s

Asignación bajo demanda alto 0.25 s

Asignación fija alto 0.25 s

Acceso múltiple:Inbound

Configuracionesred VSAT

Elección:

- Flujo de la información

- Retardo

- Capacidad y calidad

Page 49: ST-Satelite

Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06 49

Sistemas NO GEO

• Constelación

– LEO (Low Earth Orbit)

– MEO (Medium Earth Orbit)

– GEO (Geostationary Orbit)

• Astrolink, Spaceway, Millenium

– HEO (High Elliptic Orbit)

• Banda de frecuencias

coberturaretardoDopplerbalance de enlacehandover

mayor frecuencia

ancho de banda riesgo tecnológico pérdidas de propagación

uso de la banda Ka

Page 50: ST-Satelite

Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06 50

Satélites LEO y GEO paracomunicaciones móviles

– Cobertura

– Retardo

– Frec. Doppler

– Balance de enlace

– Handover

Satélite

d

RE

H

Circulo de

Cobertura

rE (km)= 6377 f0 (GHz)= 1,6 k= 3,99E+14 El(º)= 10

Altura km Período Velocidad sat. Frec.Doppler Ang.Cobert Rad.Cob(km) Aten. dB Distancia km

200 1:28 7,78 39,65 7,28 808 155,08 846

800 1:40 7,45 34,78 18,95 2071 164,01 2367

1000 1:45 7,35 33,37 21,65 2352 165,35 2763

2000 2:07 6,90 27,58 31,44 3326 169,46 4436

10000 5:47 4,93 10,09 57,45 5375 179,46 14018

35786 23:56 3,07 0,00 71,43 6045 188,69 40585

El

k=G mE=3.98601352x105 (Km)3/seg2

Page 51: ST-Satelite

Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06 51

• Aleatorias / En fase

• Elípticas / Circulares– Polares

– Inclinadas

– Número mínimo:( )N

R

SE= =4 2

1

2

cos

600 800 1000 1200 1400 1600 1800 20000

25

50

75

100

125

150

N( ),h 5

N( ),h 10

N( ),h 20

h

El=20º

El=10º

El=5º( )S RE

= 2 12

cos

Constelaciones LEO

Page 52: ST-Satelite

Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06 52

v kr h a

k

r hs

E E

=+

=+

2 1( ) ( )3hr

k

hr

v

EE

ss +

=+

=

El periodo orbital del satélite es: ( )T

r h

ks

E=+

2

3

Aplicando la ley de senos se obtiene el ángulo central en el borde de cobertura en función del ángulo de

elevación mínima l que se considere: =+

arccos cosr

r hEl ElE

E

La distancia d desde el borde de

cobertura al satélite será: ( ) ( )d r r h r r hE E E E= + + +2 2

2 cos

Supondremos órbitas circulares e = 0 con una tierra circular de radio

rE = 6377 km.

El semieje mayor de la órbita (su radio) es a y la altura instantánea es h.

Las velocidades lineal y angular del satélite (k es la cte de Kepler) son:

Parámetros básicos: LEOcirculares

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Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06 53

• El ángulo de elevación mínimo es uno de los parámetros más importantesdel sistema.

– Determina la disponibilidad.

– Debe tenerse en cuenta para el handover.

• El número de satélites en la constelación debe alcanzar un compromisoentre :

– Cobertura

– Retardo

– Pérdidas

• Elegir un número reducido de satélites que garanticen cobertura con elmayor ángulo mínimo de elevación posible.

N h = cobertura retardo pérdidas

Diseño de un sistema LEO

Page 54: ST-Satelite

Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06 54

IRIDIUM GLOBALSTAR

TELEDESIC

h=780 Km

66 satélitesen 6 planos

i=86.4o

h=1400 Km

48 satélitesen 8 planos

i=52o

El dibujo corresponde auna versión antigua:

840 satélites en 21 planos

i=98.16o

Ejemplos

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Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06 55

• Servicio Fijo• Servicio Móvil (marítimo, terrestre y aeronáutico)• Servicio de Radiodifusión (sonido e imagen)• Servicio de Navegación y Radiodeterminación• Servicio de Exploración de la Tierra

– Meteorología– Geodesia– Exploración de recursos

• Servicio de Exploración del Espacio• Servicio de Radioaficionados• Servicio Entre Satélites

Servicios por Satélite

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Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06 56

• Sistemas de posicionamiento basados en satélite– Radionavegación

• los receptores obtienen su posición a partir de señales que reciben de satélites– Ej: TRANSIT, NAVSTAR-GPS, GLONASS, EGNOS, GALILEO

– Radiodeterminación:• requieren comunicación bidireccional

– RDSS (RadioDetermination Satellite Systems)– Pueden transmitir información– Ej: GEOSTAR, INMARSAT-C, EUTELTRACS

Posición de usuario

R1

R2R3

R4

(x1,y1,z1)(x2,y2,z2) (x3,y3,z3)

(x4,y4,z4)

• Retardo

• Fase

• Doppler

1 ON 3menu

2

Rockwell

4 5 6

7 WPT

8 POS

9 NAV

CLRMARK

0 OFF

NUM LOCK

FIX FOM 1N 42* 01” 46.12”W 091* 38’ 54.36”EL + 00862 ft

ZEROIZE

Sistemas de navegación porsatélite

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Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06 57

.

.

.

.

.

.

.

.

.

..

.

.

.

.

..

.

Método: Triangulación (Medición de distancias)

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Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06 58

Triangulación

• Primera medida de distacias: Una esfera

• Primera intersección: Un círculo

• Segunda intersección: Dos puntos– Una de las soluciones es absurda (punto fuera de la

superficie terrestre)

s = c·t (Cuanto mejor midamos el tiempo, mayor seránuestra precisión al medir distancias)

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Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06 59

Medida del tiempo• Generación de código pseudo-aleatorio en el

satélite y en el receptor.• Problema: Sat y RX deben comenzar a transmitir

exactamente en el mismo instante. Sol: 4º satélite

Receptor GPS

Satélite GPS

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Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06 60

El ordenador del RX calcula cómo modificar el radio para que la

intersección de todas las circunferencias sea un sólo punto

SincronizaciónCorrección de errores en distancia: 4º satélite

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Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06 61

Corrección de errores

Multitrayecto

Trayectos nolineales

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Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06 62

Estaciones

MonitorasEstaciones

Uplink

Estación Maestra de Control(Colorado Springs)

24 satélites (nominal)

NAVSTAR

SEGMENTO ESPACIAL:

Órbitas circulares a 20180 Km dealtura y 55º de inclinación. Períodoorbital 12 horas.

1 ON 3menu

2

Rockwell

4 5 6

7 WPT

8 POS

9 NAV

CLRMARK

0 OFF

NUM LOCK

FIX FOM 1N 42* 01” 46.12”W 091* 38’ 54.36”EL + 00862 ft

ZEROIZE

SEGMENTO DE USUARIO:

Receptores capaces de medirretardos y calcular la posición

SEGMENTO DE CONTROL:

1 estación maestra recibe datos de las est.monitoras y calcula efemérides

4 estaciones monitoras equiespaciadas enlongitud obtienen datos para calcular órbitas

3 estaciones uplink transmiten datos ycomandos a los satélites

GPS

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Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06 63

ColoradoSprings Gaithersburg

Cape Canaveral

Hawaii

Ascension IslandDiego Garcia

Kwajalein

MasterControlStation

PrelaunchCompatibilityStation

MonitorStation

GroundAntenna

Segmento de control

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Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06 64

• Medida simultánea de las distancias desde el receptor a (almenos) 4 satélites, estableciendo un sistema de 4 ecuacionescon 4 incógnitas que permiten obtener la posición ysincronizar el reloj del receptor.

• Las distancias se obtienen a partir del retardo de propagaciónde la señal desde el satélite al receptor.

• La modulación BPSK de una portadora con códigospseudoaleatorios (PN) permite establecer una correlaciónentre la señal recibida y el código generado localmente, condos fines:– Separar las señales de diferentes satélites (CDMA).– Determinar el retardo.

Principio de funcionamiento

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Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06 65

+

+

+

Códigos C/A:

freloj= 1.023 MHz

duración= 1 ms

Códigos P:

freloj= 10.23 MHz

duración= 37 semanas

C/A: cTc= 300 m, cT=300 Km

P: cTc=30 m, no ambiguo

Generación de códigos Gold

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Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06 66

2 frecuencias:L1=1575.42 MHz

L2=1227.6 MHz

2 códigos Gold

1 C/A (coarse) a 1.023 MHz

1 P (precision) a 10.23 MHz

Modulación BPSK

Mensaje de navegación:

50 bps, tiempo del mensaje completo 12.5 min.la información de efemérides en un tiempo de referencia

modelo de error de la ionosfera y troposfera

estado de salud de los satélites

información de almanaque (ayuda a adquisición)

P

Señales GPS

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Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06 67

• Pseudodistancia (distancia medida con error debido a la deriva del reloj del receptor de usuario):– R’=R+– =c– Sistema de 4 ecuaciones y 4 incógnitas: x, y,z,

• Error causado por la propagación ionosférica:– Efecto conocido, se puede corregir.– Experimentalmente, se sabe que la pseudodistancia medida al

atravesar la ionosfera (Rm) es: Rm=R+A/f2 . A depende de las condiciones de la ionosfera.– Se corrige haciendo medidas en dos frecuencias.

• Disponibilidad selectiva (actualmente eliminada).• GPS diferencial permite aumentar la precisión.

Medidas y errores

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Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06 68

Galileo

• Programa Europeo para radionavegación porsatélite.

• 30 satélites (27 Operativos y 3 de reserva).

• MEO (24.000 Kms)

• Órbita inclinada circular (55º resp Ecuador)

• Galileo Industries (Consorcio Internacional)– Galileo Servicios y Sistemas (Participación Española)

– Hispasat 14,28 % del capital en GSS

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Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06 69

Banda L

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Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06 70

INMARSAT

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Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06 71

Servicios de Comunicacionesen satélites comerciales GEO

• Servicios audiovisuales– Distribución, Contribución y Radiodifusión

• Servicios de Redes de Datos– Distribución de datos unidireccional– Redes privadas– Telecontrol y Telegestión– Enlaces Troncales de alta capacidad

• Servicios IP– Transporte IP– Internet Unidireccional– Internet Bidireccional– Aplicaciones Multimedia

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Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06 72

Nichos tecnológicos del satélite• Gran ancho de banda de forma permanente.

• Comunicación móvil: Entorno marítimo y aéreo.

• Difusión y multidistribución.

• Lugares de difícil acceso para las infraestructurasterrestres

• Lugares en los que el derecho de paso para la fibra esexcesivamente costoso.

• Requerimiento de infraestructuras rápidas(Comunicaciones militares)

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Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06 73

Los protocolos de internet• Basado en el modelo de referencia TCP/IP, definido por primera vez en 1974.

• Protocolo de nivel de red: IPv4

• Protocolos de transporte:

– TCP: Orientado a conexión y confiable.

– UDP: No orientado a conexión y no confiable.

Aplicación

TCP - UDP

IP

Host a red (Enlace+Física)

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Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06 74

Satélites geoestacionarios

36000 Kms

125 ms

125 ms

Tiempo de ida y vuelta = 0.5 segundos aproximadamente

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Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06 75

Rendimiento TCP

Rendimiento TCP =

Tamaño Ventana

Retardo

Rendimiento máximo: 65535 bytes / 560 ms = 117027 bytes / segundo

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Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06 76

Transporte IP

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Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06 77

Acceso a Internet de AltaVelocidad (2-ways)

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Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06 78

[email protected]