Tema 6 Sistemas de comunicaciones por satélite Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06 1
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Tema 6 Sistemas de comunicaciones por satélite
Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06
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• Introducción (Evolución y conceptos básicos) • Estructura de un sistema de comunicaciones por satélite • Operación de un sistema de comunicaciones por satélite • Redes de comunicación por satélite • Sistemas de satélites NO GEO • Servicios por satélite
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1929
Un poco de historia • Fuerza gravitatoria = Fuerza centrífuga G
Mm d2
= Md2
• d = 35.806 Km
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Un poco de historia • 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 los satélites de comunicaciones)
– Describe la cobertura global usando 3 satélites a 120 grados (sistemas DRSS (USA) y DRS (ESA)) Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06
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Un poco de historia 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 Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06
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Un poco de historia 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. 1992 Lanzamiento HISPASAT 1A En la década de los 90 surgieron aplicaciones móviles y de internet con satélites de órbitas bajas e intermedias que no lograron una implantación comercial. Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06
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Evolución Satélites INTELSAT Satélite 1er lanza. Peso (kg) Pot (W) BW (tot) MHz #Circ.Telef.
INTELSAT
I INTELSAT
II INTELSAT
III INTELSAT
IV INTELSAT
V INTELSAT
VI
1965 34
1967 76
1968 152
1971 595
1980 1020
1986 1800
46 50 240
85 130 240
125 360 1500
569 450 5000
1220 2250 24000
2100 3360 33000
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Servicios por Satélite • 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 Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06
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Denominación Bandas de Frecuencia Nº
Símbolo
8 9 10 11
VHF UHF SHF EHF
BANDAS MICROONDAS
L S C X Ku K Ka
Frecuencia 30 - 300 MHz 300 - 3000 MHz 3 - 30 GHz 30 - 300 GHz 1 - 2 GHz 2 - 4 GHz 4 - 8 GHz 8 - 12 GHz 12 - 18 GHz 18 - 27 GHz 27 - 40 GHz
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Ubicación de Satélites
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Tipos de órbita Tipos de órbita
Altura sobre el nivel del mar
Velocid ad del satélit e 25 00028 000 km/hr.
Órbita baja
250-1 500 km
Órbita polar
500-800 km sobre el eje polar
26 60027 300 km/hr.
Órbita geoestacio naria
35 786 km sobre el Ecuador
11 000 km/hr.
Órbita elíptica
Perigeo (cuando está más cerca de la Tierra) 200- 1 000 km Apogeo (cuando está más lejos) ~ 39 000 km
~34 200 km/hr. ~5 400 km/hr.
Función del satélite
•Comunicaciones y observación de la Tierra.
•Clima •Navegación.
•Comunicaciones •Clima. •Navegación •GPS.
•Comunicaciones
Ventajas
Poco retraso en las comunicaciones. Se requiere menor potencia.
Están perpendiculares sobre la línea del Ecuador, por lo que pueden observar distintas regiones de la Tierra.
Al dar la vuelta a la Tierra a su misma velocidad, siempre observa el mismo territorio
Servicios a grandes latitudes.
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Visibilidad desde Hispasat 1C Visibilidad Cobertura
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Estructura sistema de comunicaciones por satélite RED TERRENAL
Estación Terrena TX
RED TERRENAL
Estación Terrena RX
SEGMENTO TERRENO
ENLACE ASCENDENTE
ENLACE DESCENDENTE
SEGMENTO ESPACIAL
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Estructura de un satélite • Plataforma (carrocería y motores, común en muchos satélites)
• Carga útil La carga útil es la razón de ser del satélite, es aquella parte del satélite que recibe, amplifica y retransmite las señales con información útil (TRANSPONDEDORES) Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06
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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 para controlar su orientación en el espacio y proporcionar el control adecuado de los parámetros de la órbita.
•
Subsistema de Control de orientación: Este sistema permite al satélite saber constantemente donde está y hacia donde debe orientarse para que las emisiones lleguen a la zona deseada, considerando su natural movimiento Norte-Sur y Este-Oeste alrededor de un punto. Además, orienta los paneles solares hacia el Sol, sin importar cómo esté posicionado el satélite.
•
Subsistema de Potencia. Como fuente de energía secundaria, las baterías proveen energía suficiente para alimentar a los sistemas e instrumentos cuando la energía proveniente del Sol no puede ser aprovechada. La fuente primaria de energía para el satélite lo constituyen las celdas solares que son colocadas en grupos para conformar lo que se conoce como panel solar.
•
Subsistema de Telemetría, seguimiento y control Es el encargado de contactar con las estaciones terrenas del centro de control. Esto permite el correcto mantenimiento de los subsistemas del satélite. Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06
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Mantenimiento de la Orientación Cuerpo interior estabilizado a Tierra Volantes de Inercia
Tierra
Tambor exterior rotatorio Estabilizado por spin
Estabilizado en tres ejes
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Generación de Energía Flujo solar en GEO: 1.39 KW/m2 Eficiencia: 10 al 15 %
Sol
Menor número de células (1/3)
Ej: INTELSAT V Se requiere mayor número de células Ej: INTELSAT IV Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06
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Carga útil: Arquitecturas de Transpondedores Transpondedores Transparentes BPF
TWTA
BPF
ANTENA Tx
ANTENA Rx
BPF
PSK DEMOD
ANTENA Rx
PSK MOD
BPF
TWTA
BPF
ANTENA Tx
Transpondedores Regenerativos Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06
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Carga útil: Características de los TPDs LNA
AMP
fu
IMUX
DRV
HPA
OMUX
fd
OL
LNA
AMP
fu OL
IMUX
DRV
HPA
OMUX
fd
OL
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 Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06
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Características de los transpondedores • Respuesta en frecuencia plana • Retardo de grupo constante en toda la banda • Linealidad El 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:
ibo =
pire pire saturación
Posat
obo
input
obo =
pire pire saturación output
ibo
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Pisat 20
Antenas • • • •
De hilo (monopolos, dipolos) para TT&C Bocinas (haz ancho, cobertura global) Reflectores (haz más estrecho) Arrays (cobertura puntual) Haz puntual
Antenas de apertura: 4A = G 2
3dB (º ) = 70 D
D 2 A= 4 48360 = G 1 (º ) 2 (º )
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Antenas de HISPASAT Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06
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Terminal de usuario LNB
RF
Procesador
RF
IF
IF
BB
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TV
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Estación terrena receptora
Salida de datos
LNB
RF
Demodulador
FI
El LNB suele tener una figura de ruido comprendida entre los 0,5 y 1 dB
G/T = Gr-10log (Ta + Tr) Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06
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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
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Estación terrena transmisora QPSK si se usa DVB-S
Señal de datos
PT
Conversor Hacia arriba
Modulador
HPA
PIRE
RF
FI
P 8W => SSPA P > 8W => TWT La potencia de transmisión (PT ) siempre se mide a la entrada de la antena
PIRE = PT + GT Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06
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Modulaciones Entrada digital
Salida Analógica
modulador
• Modulaciones de angulares (fase/frecuencia) (PSK) • Modulaciones de amplitud (ASK) • Modulaciones híbridas Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06
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QPSK 01
00
11
10
2 bits/simbolo Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06
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Resumen modulaciones digitales Modulación
R/W (bps/Hz)
PAM, ASK
2log2M
QAM
log2M
PSK
log2M
FSK
(2log2M)/M
o
(John G. Proakis: ‘Digital Communications’)
PbBPSK ,QPSK
Ps MPSK
Eb 2 Eb 1 = erfc = Q N0 N0 2
Es erfc sen M N0
Con codificación Gray:
Pb
Ps log 2 M
M-DPSK Cuando la demodulación es coherente : Es Ps 2 erfc sen M N0
Si la demodulación es diferencial: Es Ps erfc sen
2M N0
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Elevación y distancia Lae -> Latitud Norte de la estación Loe -> Longitud Oeste de la estación Las -> Latitud Norte punto subsatélite Los -> Longitud Oeste punto subsatélite
rs El
Horizonte local Punto subsatélite
d
Estación
re
Centro Tierra
cos( ) = cos Lae cos Las cos( Loe Los ) + sin Lae sin Las d = rs
r 1+ e rs
cos El =
2
2
re cos rs
sin re 1+ r s
2
re cos 2 rs
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Elevación y distancia en GEO La particularización de las expresiones anteriores a la geometría de la órbita geoestacionaria resulta:
cos( ) = cos Lae cos( Loe Los )
d = 42157 1.02288 0.30254 cos Km 42157 sin cos El = d Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06
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Vertical local
Cálculo del Acimut
El Norte Este
Az
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. 1) SS al SO de laET Az=180 +
s=
1 (l + L + ) 2
2) SS al SE de la ET Az=180 -
sin(s )sin(s L) = 2tan sin ( s ) sin ( s l ) 1
1
2
3) SS al NO de la ET Az=360 - 4) SS al NE de la ET Az=
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Ajuste de la polarización
Se ajusta girando el LNB respecto a la línea de apuntamiento hacia el satélite en el sentido de las agujas del reloj.
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Angulo de Visión sin(90 + El ) sin = re rs r = sin 1 e cos El rs
2 max = 17.4 o
(
)
El = 5 o = 76.3 o
GEO
Horizonte local
El Punto subsatélite d
rs
re
() Centro Tierra
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Ábacos (Elevación) 90 80
10
60
Latitud Estación
Ejemplo: Lae= 15º |Loe-Los|= 10º = 17.96º El= 68.92º
10
70
20 30
50 40
30
40
10
20
50
30 20 10
70
80
60
50
40
30
20
10
0 0
EL
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Longitud relativa Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06
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Latitud Estación 80 10
70
30 40
60
Ábacos (Acimut)
70 50
20
60 50
10
30
70
40
40
1) SS al SO de laET Az=180 +
50 20
30
2) SS al SE de la ET Az=180 -
60 70
20 10
3) SS al NO de la ET Az=360 -
80
4) SS al NE de la ET Az=
80
0 0
alfa
10
20
30
40
50
60
70
80
Longitud relativa Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06
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Balance de enlace I. II. III. IV. V.
Estación terrena del enlace ascendente Enlace ascendente (uplink) Satélite Enlace descendente (downlink) Estación terrena del enlace descendente
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Enlace ascendente (uplink) • •
•
Definido entre la salida de la antena de la estación del enlace ascendente y la entrada de la antena receptora del satélite. 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. Un balance de enlace puede suponer una pérdida de 3dB por este concepto. Estás pérdidas dependen de la localización geográfica del enlace y son adecuadas para un determinado porcentaje de tiempo que se conoce como DISPONIBILIDAD DEL ENLACE.
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Enlace descendente (downlink) • •
Definido entre la salida de la antena transmisora del satélite y la entrada de la antena 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. Un balance de enlace puede suponer una pérdida de 3dB por este concepto. Estás pérdidas dependen de la localización geográfica del enlace y son adecuadas para un determinado porcentaje de tiempo que se conoce como DISPONIBILIDAD DEL ENLACE.
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Balance 1: Intelsat IV-A Banda C 4 GHz
Pt= 8 dBW Gborde= 16 dBi
B=36MHz 40000 km
OBO= - 3 dB
[
]
PIRE C] = (C N) + [N] = [Flujo] + [A r ] [ 4R 2 = 8 + 16 10log(4 ) 20log 4 107
Flujo =
(
)
= 139 dBW / m2
(
})
C
= (11 dB umbral) + 7 dB Margen C 3, N 3 = 18 dB
N
{
(
)
Ta=50ºK
N = kTsB = 2286 . + 10log(20 + 50) + 10log 36 106 = 1346 . dBW
TLNA=20ºK
. dBm2 [A r ] = 18+ (134.6) (139 3) = 254
=65%
25.410log(0.65) 10
A r = 10
= 5334 . m 2 D = 26 m
[(G T )] = 10 log(0.65 ) + 20 log( D ) 10 log(70 ) = 40 .5 dBK Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06
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Balance 2: Satélite doméstico USA 48360 = 32 dBi G s = 10log 0.62 3 6 G borde = 32 3 = 29 dBi
B=36MHz
6m 4GHz = + = 46 dBi Ge 10 log(0.65) 20 log 0.3
D=6 m Ts=120 ºK
(G T )e = 46 10log(120) = 24.8 dBK 1
4R (m)f (GHz ) . 20log (C N ) = (10log5+ 29) + 248 . 03 Pt=5 W 3ºx6º
(
))
.6 + 10log 36 106 = 173 . dB 228
(
Margen = 17.3 - 11 = 6.3 dB (FM) Si D=3 m Ge umbral a 8.5 dB
6dB y Margen 6 dB. Si extendemos Margen 2.5 dB
Por tanto pueden usarse antenas de 3 m con Margen de 2.8 dB Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06
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Redes de comunicación por satélite • • • •
Sistemas SCPC / MCPC Enlaces punto a punto Redes malladas Redes en estrella – Redes VSAT
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Sistemas SCPC • Se utiliza una portadora para transmitir un único canal • Para ahorrar potencia en el satélite, se activa la portadora sólo cuando hay señal en el canal Analógicos: SCPC/FM • Digitales: SCPC/QPSK Telefonía SCPC/FM: S C = 95.4 + 20 log(f c ) + 10 log( B ) dB N o N i
B = 2 (fm + fc)
Incluye ponderación sofométrica y pre/de-énfasis: 8.8 dB fm= 3400 Hz Sistemas de Telecomunicación – José Antonio Guerra - Curso 2005-06
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Sistemas MCPC Encapsulador MUX
Modulador
Conversor
HPA TDM
Diferentes canales en una única portadora
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outbound
Redes VSAT • Redes de comunicaciones por satélite con terminales de tamaño reducido (Very Small Aperture Terminal)
inbound
RA/TDMA TDM - antena
Estación HUB
VSAT
VSAT
- amplificadores
VSAT
- OL, ... Unidad
Unidad
exterior
interior Equipo BB
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Frecuencias para redes VSAT 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.
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Configuraciones
red VSAT
Elección: - Flujo de la información - Retardo - Capacidad y calidad
Técnica
Acceso múltiple: Inbound
Aloha S-Aloha R-Aloha Asignación bajo demanda Asignación fija
Throuhput máx. 18% 36% 60-90% alto alto
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Retardo < 0.5 s < 0.5 s