Redes Satelitales
Las comunicaciones vía satélite, son tras las comunicaciones clásicas de telefonía y TV, el medio de difusión de la información y los servicios telecomunicaciones. Los satélites han resultado un elemento fundamental en el desarrollo de las comunicaciones y las tecnologías de la información como soporte universal para el intercambio y la difusión de la misma. El satélite al estar situado en una orbita exterior a la tierra, posee unas características de difusión y repetición que le dotan de elevada capacidad para proveer servicios de acceso. En la actualidad, los operadores y proveedores de servicios vía satélite, implantan sistemas unidireccionales con canales de retorno terrestres y bidireccionales, con comunicación íntegramente por el enlace satelital. Este permite una comunicación más manera más eficiente, dinámica, y con mayor capacidad. Pero como contrapunto, esta el hecho de que los servicios bidireccionales son mucho más caros y complejos tecnológicamente, al tener disponer el usuario de equipos transmisores capaces de comunicarse con el satélite.
La arquitectura de las redes de acceso por satélite puede ser definida en función del tipo de canal de retorno desde los usuarios hacia la red, de manera que en función de dicho enlace predomina un estándar de transmisión y recepción. Así de esta forma podemos definir tres tipos de arquitectura de red básica:
Redes Unidireccionales. Son redes sin canal de retorno. Sólo permiten servicios de difusión, por ejemplo distribución de TV. Son los esquemas y arquitecturas clásicas empleadas durante los años 80 y principios de los 90 cuando únicamente se tenia acceso a contenidos sin interacción con el proveedor.
Redes Híbridas. Son redes con canal de retorno, permitiendo la interacción con la cabecera y el servidor del servicio, pero con un canal de retorno a través de otra red diferente a la satelital, tradicionalmente red telefónica conmutada RTB o RDSI. Se basan en el estándar de transmisión DVB-S, solo en el segmento de transmisión por el enlace satelital, sin retorno por el mismo. Este tipo de redes permiten prestar servicios interactivos asimétricos, por ejemplo navegación por la Web en Internet o redes VSAT de capacidad limitada y terminal sin capacidad de transmisión. Existen diversas formas de coordinar el canal de ida por satélite con el de retorno por la otra red, de forma que la información que el usuario pide por el canal de retorno sea encaminada por el satélite, no planteándose ninguna problemática a la hora del intercambio de información. Los sistemas híbridos tienen como ventaja que los terminales son más baratos y pueden ser instalados por el propio usuario.
Sistemas bidireccionales. Son redes completas, ya que es posible la comunicación en ambos sentidos a través del satélite. Normalmente la capacidad disponible en el sentido de bajada es mayor que en el de subida, lo que los presenta como arquitecturas de red simétricas. Generalmente son empleados crear redes privadas virtuales VPN’s para empresas con muchas sucursales, en particular si están situadas en áreas rurales y de difícil acceso. Por ejemplo, el servicio de Correos de EE.UU. tiene unas 17000 estafetas conectadas mediante la red satélite de Spacenet. En España destacan las redes del Organismo Nacional de Loterías con 2500 terminales y el Organismo de Correos y Telégrafos con 600 terminales. Los terminales satélite bidireccionales son más caros y usan antenas mayores que deben ser instaladas por personal especializado, pero tienen la ventaja de que no dependen de otra red para el canal de retorno. Típicamente los sistemas bidireccionales han estado más orientados al mercado de empresarial y de negocios, pero actualmente extendido hasta el mercado residencial, al bajar los costes y aumentar el empeño de los operadores por su implantación. Algunas empresas ofrecen ya sistemas bidireccionales para usuarios residenciales que utilizan la misma antena para TV y para acceso a Internet. De esta manera la solución bidireccional vía satélite ha entrando en competencia con redes de acceso terrestres de ADSL, redes de cable y LMDS.
En la transmisión a través de estas redes, los paquetes IP pueden ser encapsulados sobre diferentes protocolos de nivel de enlace, para su transmisión posterior en el enlace satélite. El usuario dispone de un router IP y de un terminal satélite interactivo, que se comunica a través del satélite con una estación central a la que se conectan los proveedores de acceso a Internet y otros servicios. La estación central recibe el tráfico IP de los proveedores y lo envía a los terminales encapsulado sobre DVB como ya se ha mencionado. El canal de retorno DVC-RCS usa MF-TDMA. La estación central coordina el acceso de los terminales que solicitan transmitir por el canal de retorno. Por lo que respecta a los protocolos de transporte por encima de IP, es necesario tener en cuenta que los enlaces satélite se caracterizan por un retardo alto, lo que puede afectar a las prestaciones de las aplicaciones que utilizan TCP. Sobre el enlace satélite se pueden usar mecanismos específicos para mejorar las prestaciones de TCP.
Podemos estructurar el sistema satelital como una estación repetidora (satélite) situada en el espacio, al que se conectan estaciones terrestres mediante enlaces de microondas. Los sistemas satelitales, pueden poseer diferentes configuraciones satelitales, tipos de satélites, alturas, usos, coberturas, orbitas, etc. Pero sin embargo todos comparten una serie de características comunes. Estas características son la existencia de dos segmentos diferenciados como son el segmento terrestre y el segmento espacial. Cada uno de ellos esta formado por los siguientes elementos:
Segmento espacial: Satélite
Segmento terrestre: Estaciones terrenas (diferentes según servicio)
Es la parte que se refiere a las comunicaciones en el espacio abierto, es el módulo de comunicaciones que se encarga principalmente de los equipos y funciones necesarios en el satélite para poder establecer las comunicaciones con las estaciones en tierra.
Modulo de comunicaciones
La función principal del sistema de comunicaciones, es la de recibir, amplificar y adecuar la frecuencia de la señal, transmitiendo las señales que llegan o salen del satélite. Podemos distinguir tres partes diferenciadas dentro del modulo de comunicaciones, las antenas, los transpondedores y los amplificadores de potencia. Las antenas reciben y emiten a través del enlace ascendente (uplink), y o del enlace descendente (downlink) las señales provenientes de la tierra o dirigidas a ella, en una banda de frecuencia y polarización. En la señal recibida y transmitida, se debe garantizar la mayor calidad posible y con la menor interferencia posible amplificando las portadoras recibidas, proporcionando potencia suficiente a las portadoras con el menor ruido y distorsión posible y cambiar de la frecuencia del up-link a la del downlink y viceversa. Los canales o transpondedores conforman una división en sub-bandas de las frecuencias a las que trabaja el satélite, como canales con una amplificación independiente y controlada. Este, puede ser regenerativo o transparente según se procese o no la señal en banda base .
Las antenas son la pasarela de entrada y salida de la información. Son empleadas muchos los tipos de antenas, en función de las necesidades de cobertura, señales involucradas, frecuencias y aplicaciones. Los principales tipos de antenas a bordo son: Monopolos y dipolos en bandas VHF y UHF (en desuso), Bocinas para haces anchos (cobertura global) y como alimentadores de antenas de reflector, Antenas reflectoras más empleadas para haces zonales, spot, múltiples y conformados (shaped beams), Lentes dieléctrica en guía metálica y en línea de transmisión acabadas en elemento radiante (“bootlace”), Arrays de elementos impresos, guías o bocinas, radiando directamente o como alimentadores de reflectores y Antenas activas, consistentes en elementos impresos alimentados directamente por unidades amplificadoras de salida integradas.
Las características de las antenas, varían en función de su aplicación, pero son fundamentales que se respeten algunos parámetros básicos, que evite problemas asociados a interferencias de otros haces, ínter modulaciones, zonas de sombra, derivas del haz, errores de apuntamiento, etc. Las antenas se deben adaptar a diferentes configuraciones de red, difusión y recepción de los canales de frecuencia. Así podemos tener antenas para redes de un único haz o redes multihaz.
Las redes de un único haz, se caracterizan porque todas las estaciones que comparten el uso del satélite están en la misma zona de cobertura, determinada por el haz de radiación de la antena del satélite. El satélite dispone de C canales pero el número de usuarios potenciales es mucho mayor, siendo necesario que estos accedan a los transponedores según un criterio de asignación de frecuencias y polarizaciones de los mismos. Cada transpondedor es compartido mediante el uso de alguna de las técnicas de acceso múltiple FDMA, TDMA o CDMA. El tráfico de los clientes estaciones puede encaminarse según dos principios, una portadora por estación (uso de N portadoras) y una portadora por enlace (uso de N(N-1) portadoras).
En las redes multihaz, el satélite divide su zona de cobertura en diferentes sub-regiones con antenas más directivas (de mayor ganancia). Cada haz tiene asignado un transpondedor o conjunto de transpondedores que puede ser diferente. La limitación del número de haces viene dada por la complejidad y peso de la antena que es necesaria. Estoas antenas tienen la ventaja de que la ganancia de la antena a bordo del satélite, es mayor al tener un haz más estrecho. En el balance del enlace esto puede suponer una ventaja de hasta 20dB, que repercuten directamente en el dimensionamiento de la estación terrena, requiriendo una EIRP menor (enlace ascendente) y una G/T menor (enlace descendente). Además una misma frecuencia puede ser utilizada por varios haces a la vez en la misma polarización, posibilitando la reutilización de frecuencia y por lo tanto la optimización del sistema.
El transpondedor es el elemento encargado de amplificar cada canal de comunicaciones de manera independiente y aislada, del resto de canales y frecuencias a las que opera el satélite. Podemos clasificar estos en dos tipos: los regenerativo y transparentes. Los primeros procesan la señal en banda base, requiriendo un proceso de demodulación y modulación. Sin embargo ello permite la separación y adición de los contenidos en baja frecuencia, posibilitando pues el desacoplo de las entrada y salidas. Los segundos carecen de ningún procesado dela señal, solo la amplifican la señal y la retransmiten.
Figura. Tipos de transpondedores.
La canalización de los canales es en unidades desde 36 a 120 MHz, permitiendo reducir la intermodulación entre portadoras y compartir la potencia total disponible entre los “canales”. Se emplea redundancia de equipos como protección frente a fallos para aumentar la fiabilidad del conjunto, y evitar posibles fallos que no puedan después solventarse. El funcionamiento de los amplificadores en zonas no lineales hace que sea critica la capacidad de aislamiento que doten los filtros a las bandas, para evitar que se cuelen espurios no deseados.
Se encargan de inyectar potencia a las portadoras provenientes del enlace ascendente, de manera que garanticen los parámetros de calidad (G/T, C/N y C/I) para la transmision. Para ahorrar energía, cuestión critica en los satélites, los amplificadores de potencia, trabajan en zona no lineal. Esto produce problemas de intermodulación los cuales deben ser muy controlados para evitar la interferencia. Podemos diferenciar entre los amplificadores SSPA (Solid State Power Amplifier), y los TWTA (Travelling Wave Tube Amplifiers).
La estación terrestre, se encarga de captar la señal (propia o procedente de la red). Esta es procesada en banda base y modulada, con objeto de ser transmitida a la red satelital o a la red terrestre. De igual forma las señales espaciales son recibidas, y precisadas mediante el equipo receptor y de amplificación con fin de acondicionar esta para su posterior reenvío. La señal puede combinarse con otras, para formar enlaces multiplexados de mayor capacidad, o ser separada en canales menores (FDM o TDM). Para ello las estaciones poseen equipamiento TDM y FDM que permite operar con los transponders del satélite de manera coordinada facilitando la perfecta comunicación. El alimentador de antena proporciona polarización adecuada y aislamiento con la señal recibida. Se requiere un amplificador de bajo ruido en recepción. Las señales de TT&C son extraídas y utilizadas a fin de controlar el enlace y el satélite en orbita. El segmento terrestre principalmente está formado por dos elementos básicos, la estación terrestre, la cual se puede diferenciar entre diferentes tipos:
Estaciones de capacidad alta.
Formada por antenas grande de 30 m de altas presatciones, con capacidad de interconexión exterior de los contenidos recibidos y transmitidos por el satélite, así como pasarela entre redes y subsistemas terrestres.
Estaciones de capacidad media.
Formada por antenas de 2-10 m, y encargadas de gestionar y procesar el trafico de una empresa o región determinada.
Estaciones de capacidad pequeña (VSAT y USAT).
Antenas pequeñas de 0,5 -2 m de diámetro. Son sistemas para un único usuario, dentro de las redes VSAT remotas.
Estaciones terrestres móviles.
Son estaciones con antenas de tamaño 1-2 m, con capacidad de movimiento o terminales telefonicos moviles, tipicos en sistemas LEO y MEO. Actualemente son terminales interactivos, como los terminales GPS.
Estaciones terrestre fijas.
Son terminales fijos sin capacidad de movimiento, basados en antenas de 0,5-2 m a través de los cuales se reciben las señales, principalmente Internet y datos.
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