cap Ítulo 7 - grupo de tecnologías de la información y ... · limitada y compartida parcialmente...
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CAPCAPÍÍTULO 7TULO 7
SISTEMAS DE RADIOCOMU�ICACIÓ�
POR SATÉLITE
2
OBJETOOBJETO
� Establecimiento de radioenlaces entre estaciones fijas o móviles, a través de repetidores activos o pasivos, situados en órbita alrededor de la Tierra.
TIPOS DE SERVICIOS DE RADIOCOMUNICACITIPOS DE SERVICIOS DE RADIOCOMUNICACIÓÓN N POR SATPOR SATÉÉLITELITE
� Servicio fijo por satélite (FSS: Fixed Satellite Service) Entre múltiples puntos fijos.
� Servicio móvil por satélite (MSS: Mobile Satellite Service) Entre estaciones de base fijas y terminales móviles.
� Servicio de radiodifusión por satélite (BSS: BroadcastSatellite service) Entre un transmisor y múltiples puntos de recepción.
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OTROS SERVICIOSOTROS SERVICIOS
� Meteorología por satélite.
� Exploración de la Tierra por satélite.
� Localización por satélite (GPS, Galileo).
� Telemando y telemedida (VSAT).
� Radioaficionados por satélite.
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ASPECTOS OPERACIONALES Y ECONASPECTOS OPERACIONALES Y ECONÓÓMICOSMICOS
� Gran cobertura con elevada calidad y estabilidad de funcionamiento.
� Retardo de propagación.
� Limitación de potencia.
� Potencial de interferencia descendente.
� Asimetría de los enlaces ascendente (UL) y descendente (DL).
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� Necesidad de muy alta fiabilidad.
� Coste elevado (satélite, reservas, lanzamiento).
� Arcos orbitales limitados.
� Limitación latitud geográfica estaciones terrenas.
� Vida limitada (combustible, corrección orbital).
� Consorcios internacionales (INTELSAT, INMARSAT, EUTELSAT).
6
ESTRUCTURA SISTEMA RADIOCOMUNICACIESTRUCTURA SISTEMA RADIOCOMUNICACIÓÓN N POR SATPOR SATÉÉLITELITE
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CARACTERCARACTERÍÍSTICAS BSTICAS BÁÁSICAS DEL SEGMENTO SICAS DEL SEGMENTO ESPACIALESPACIAL
� Modo de propagación: espacio libre.
� Márgenes de desvanecimiento reducidos.
� Atenuación por gases atmosféricos y lluvia.
� Influencia de otros factores: centelleo, nubes.
� Elevado retardo de propagación.
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RECURSOS SISTEMA RADIOCOMUNICACIRECURSOS SISTEMA RADIOCOMUNICACIÓÓN POR N POR SATSATÉÉLITELITE
1. Órbita - Espectro� Tipos de órbitas:
– GEO: Geoestacionaria– MEO y LEO: Órbitas medias y bajas, para aplicaciones
móviles.
� Arcos orbitales:Diferente utilidad/valor, según la zona geográfica subyacente.
� Espectro limitado:Reutilización de frecuencias. Potencial de interferencias mutuas.
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2. Cobertura geográfica� Depende del tipo de haz de la antena del satélite.
– Haz global (Global beam) ~ 1/3 superficie terrestre.– Haz perfilado (Shaped beam): un país o una región
ampliada.– Haz restringido (Spot beam): un país o una región
limitada, una gran área urbana.
3. Conectividad� Posibilidad de enlace entre múltiples estaciones.
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4. Multiacceso� Compartición de recursos, para simultaneidad de
enlaces, por multiplexación.– FDMA (Frequency Division Multiple Access)
Múltiples portadoras - Sistemas analógicos.– TDMA (Time Division Multiple Access)
Portadora única, trama temporal - Sistemas digitales.– DAMA (Demand Assignment Multiple Access)
Acceso por demanda.– SCPC (Single Channel Per Carrier)
Variante de DAMA de un solo canal por portadora.
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5. Anchura de Banda� Limitada y compartida parcialmente con radioenlaces
terrenales.
� Bandas C (6/4 GHz), Ku (14/11 GHz) y Ka (30/20 GHz) UL/DL
� Reutilización intensa con separación espacial y de polarización.
6. Potencia� PIRE función del tipo de servicio y capacidad.
� Limitación por densidad de flujo de potencia sobre la Tierra para control de interferencias.
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GEOMETRGEOMETRÍÍA DEL ENLACEA DEL ENLACE
� Características de la órbita geoestacionaria:– Unicidad: recurso natural de la Tierra.– Órbita circular en plano ecuatorial.– En ella el satélite gira con la misma velocidad angular que
la de rotación de la Tierra.– Periodo orbital: 23 h, 56 min, 4,1 s = 86.164,1 s.– El satélite mantiene una posición relativa fija respecto de
la Tierra.
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� Parámetros orbitales– Altitud de la órbita sobre la Tierra: Ro = 35.786 km.– Radio terrestre ecuatorial: Re = 6.378 km.– Distancia de la órbita al centro de la Tierra: R = 42.164 km.
14
� Orientación de antena y distancia real satélite - Tierra
– Datos:Longitud satélite: φsat
Longitud ET: φET
Longitud relativa: φ = φET - φsat
Latitud ET: λ
15
– Ángulo auxiliar
– El ángulo acimutal de orientación , se calcula según la situación de la ET con relación al punto sub-satélite.
= −
senλ
tgtgE
ϕ1ˆ
A
360 -SE
SW
180 + NE
180 -NW
Ángulo .Cuadrante A
E
E
E
E
16
– El ángulo de elevación, es:
– La distancia satélite - ET, es:
[ ]λϕ
θ
·coscoscos
)/(cos
1
1
−
−
=
−=
a
asen
RRatg e
( ) ( )[ ] 2/12 cos/2/1 aRRRRRd ee −+=
17
EJEMPLOEJEMPLO
� Satélite español HISPASAT 1D situado a φsat = 30 ºW (-30)
� Recepción en Madrid: φET = 3,5 ºW (-3,5); λ = 40,5 ºN (40,5)
– Ángulo φ = -3,5 - (-30) = 26,5º– Situación ET : Cuadrante NE
– Ángulo
– Ángulo acimutal = 180 + 37,5 = 217,5º
º5,3740,5sen
26,5 tgtgE 1 =
= −
A
18
– Ángulo a:
– Ángulo de elevación:
– Distancia
[ ] º1,475,40·cos5,26coscos 1 == −a
º8,351,47
164.42/378.61,47cos1 =
−= −
sentgθ
km 110.381,47cos · 167.42
378.6·2
164.42
378.61 · 164.42
2/12
=
−
+=d
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ÁÁNGULOS LNGULOS LÍÍMITEMITE
� Para ángulo de elevación θ = 0º, con φ = 26,5º
- Distancia
� Para ángulo de elevación θ = 0º, con λ = 40,5º
- La distancia es la misma
km 679.41164.42
378.61 · 164.42
2/12
=
−=d
º3,80
1685,05,26cos
264.42/378.6
cos
/cos -
=
===
λ
ϕλ
RRe
º5,78
1989,05,40cos
264.42/378.6
cos
/cos -
=
===
ϕ
λϕ
RRe
20
ECLIPSES DE SATECLIPSES DE SATÉÉLITE LITE
� El satélite se mueve en un plano perpendicular a la figura.
� En los equinoccios (primavera, otoño) sufre eclipses de unos 77 min/día durante algunos días.
� En estos casos debe funcionar con sus baterías de reserva.
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INTERFERENCIA SOLARINTERFERENCIA SOLAR
� Se produce cuando el Sol penetra en el haz de la antena de recepción de la Estación Terrena.
� La interferencia solar aumenta la temperatura de ruido de la antena, lo cual bloquea la recepción.
22
INCREMENTO DE INCREMENTO DE TTaa POR INTERFERENCIA SOLARPOR INTERFERENCIA SOLAR
GHz) 303,0(
3,2
3,2
)1,0(6log2
1 · 10·96,1
:
º5,0
º5,0 )/5,0·(
5
2
<<
−
+=
<=∆
>=∆
f
fsen
fT
TT
TT
sun
e
esuna
eesuna
π
θ
θ
θθ
mitad potencia para haz del Anchura
23
EJEMPLOEJEMPLO
� Antena de 18 m, frecuencia f = 4 GHz
Kº 000.50
50
Kº 000.503,2
3,2
9,3·6log2
1 · 4
10·96,1
º29,018
000.4/300 · 7070
5
==
<
=
+=
===
suna
e
sun
e
T∆T
, θ
sen
T
D
como
π
λθ
24
MULTIACCESO TDMAMULTIACCESO TDMA
25
� Estructura temporal jerárquica.– Trama ( Frame)– Intervalos (Slots)– Ráfagas ( Bursts)
26
� Campos de la ráfaga genérica– Periodo de guarda: Gi símbolos– Preámbulo: Pi símbolos– Información de usuario: Ii símbolos– Epilogo: Qi símbolos
� Periodo de símbolo: Ts = Tb·log2 M– Tb: periodo de bit.– M: Número de niveles de modulación.
� Periodo de trama: Tt
27
� Parámetros de TDMA
– Rendimiento del intervalo:
– Símbolos de información por trama:
– Símbolos de tara por trama:
– Rendimiento de la trama:
iiii
ii
QIPG
I
+++=η
i
�
i
II ∑=
=1
)(1
iii
�
i
ref QPGSO +++= ∑=
OI
It
+=η
28
– Duración del intervalo:
– Velocidad media usuario i-ésimo:
– Velocidad instantánea:
– Número N de usuarios:
)·( iiiissi QIPGTT +++=
t
ii
T
Iv =
tT
OIv
+=
siiii
�
i
reft TQIPGST · )(1
++++= ∑
=
29
EJEMPLOEJEMPLO
Datos: – Vb = 120 Mbit/s ; modulación QPSK ; M = 4 ; Tt = 4 mseg.– 2 Estaciones de referencia con 2 x 288 símbolos.– Periodo de guarda 200 ns.– Intervalos iguales.– Preámbulo P = 280 símbolos.– Información por intervalo: 10 canales PCM de 64 kbit/s.– Epílogo Q = 20 símbolos.
Resultados pedidos:– Rendimiento del intervalo.– Número de usuarios.– Rendimiento de la trama.
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RESOLUCIRESOLUCIÓÓNN
1) Periodo de símbolo
2) Símbolos por intervalo
µs 60
1
120
4log==sT
( )
símbolos 300 -
símbolos 1.280 mseg 4/seg)(ksímbolos 2
640 -
esequivalent símbolos12µs 1/60
µs 2,0 -
=+
==
==
QP
x I
G
31
3) Rendimiento intervalo
4) Número de usuarios
5) Rendimiento trama
[ ]
usuarios 150 3,150
N·1.5922·288 · 60
104
3
⇒=
+=−
�
80,2% 802,0592.1·150576
150·280.1⇒=
+=tramaη
%4,80 804,020280.128012
280.1⇒=
+++=η
32
CALIFICACICALIFICACIÓÓN ESTACIONES TERRENASN ESTACIONES TERRENAS
TelefoníaTDM / QPSK / TDMA
14/11 (Ku) 14/12 (ku)
337,0C
TelefoníaSCPC / QPSK
6/4 (C)11 -13
31,7B
Telefonía - TV FDM / FM / FDMA
6/4 (C)> 1635,0A
Aplicación
MultiaccesoBandas (GHz)D (m)G/T (dB/K)Estándar
Se basa en el factor de calidad G/T
33
Aplicación
MultiaccesoBandas (GHz)D (m)G/T (dB/K)Estándar
IBS6/4589
22,727,029,0
F1F2F3
IBSInternational Business
ServicesTDM / QPSK / FDMA
14/1114/12
3,559
252934
E1E2E3
34
InternetTV internacional
Radiodifusión
6/414/11
12
4 m-
614
G
BSS IndividualBSS Comunal
Aplicación Multiacceso
Bandas (GHz)D (m)G/T (dB/K)Estándar
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CCÁÁLCULO DE G/T EN ESTACIONES TERRENAS LCULO DE G/T EN ESTACIONES TERRENAS EN GENERALEN GENERAL
1) Contribuciones de ruido de los circuitos de entrada
36
Temperatura equivalente de la antena
a) Con cielo despejado
b) Con lluvia
( )[ ] ( ) ( )w
wT
waa
gaaTT
w
gTT w
lg
lslgats
lsg
a
11 · 1
·1
−+
−−++=
( )[ ] ( ) ( )w
wT
wa
gaTT
w
gTT w
g
lsgats
lsg
a
11 · 1
·0
−+
−−++=
37
2) Contribución de ruido del receptor
3) Temperatura del ruido del sistemaT = Ta + Tr
( )L�A
PAL�Aor
g
lllTlllTlllTT 321321321 1 ++−=
38
CCÁÁLCULO DE G/T PARA ANTENAS DE RADIODIFUSILCULO DE G/T PARA ANTENAS DE RADIODIFUSIÓÓN N POR SATPOR SATÉÉLITELITE
Temperatura equivalente de ruido en P
Ganancia referida a P
β: Reducción de ganancia por desapuntamiento
( ))1(
1−+
−+= ro
oaeq fT
l
lT
l
TT
αββ ··1 · · antant gl
gg ==
39
� Relación G/T
Ejemplo:Antena de 1 m de diámetro, eficiencia 50 % a 11 GHz β = 0,8
Gant = 38,77 dB Ta = 150 KL = 0,5 dB Fr = 4 dB
G/T = 38,7 -0,5 + 10·log 0,8 - 10·log 603,2 = 9,4 dB/K
( ) ( )(dB/K)
1 1
·log10
−+−+=
oroa
ant
TfTT
g
T
G
αα
βα
40
MODELO DE ENLACE POR SATMODELO DE ENLACE POR SATÉÉLITE PARA LITE PARA EVALUACIEVALUACIÓÓN DE LA CALIDADN DE LA CALIDAD
41
BALANCES DE LOS ENLACESBALANCES DE LOS ENLACES
� Enlace ascendente
� Enlace descendente
� Pérdidas adicionales
L = Lat + Lllu + Lpol + Lpunt
(dBHz) ·log10 kT
GLLIBPIRE
�
C
es
raabfa
ao
−+−−+=
(dBHz) ·log10 kT
GLLOBPIRE
�
C
et
rddbfdd
do
−+−−+=
42
� Sistemas analógicos. Suele emplearse C/N
� Sistemas digitales. Suele emplearse Eb/No
(Hz) ·log10 B�
C
�
C
o
−
=
(Bit/s) ·log10 b
oo
b V�
C
�
E−
=
43
CCÁÁLCULO DEL RUIDO DEL ENLACELCULO DEL RUIDO DEL ENLACE
44
RELACIRELACIÓÓN PORTADORA/RUIDO TOTALN PORTADORA/RUIDO TOTAL
Se evalúa su inversa para aplicar la adición de ruidos
a
a
d
IM
d
d
t
d
d
d
IM
eda
eda
d
dIMeda
t
c
n
c
n
c
n
c
n
c
n
c
n
lgc
lgn
c
nnlgn
c
n
++=
++=++
=
/·
/·/·
45
� Para sistemas analógicos
� Para sistemas digitales
1111 −−−−
+
+
=
doIMoaoto n
c
n
c
n
c
n
c
111 −−−
+
=
do
b
ao
b
to
b
n
e
n
e
n
e
46
CALIDAD PARA ENLACES DIGITALESCALIDAD PARA ENLACES DIGITALES
� Se determina la relación Eb/No para la tasa de errores BER objetivo.
� Se expresa Eb/No en función de la relación portadora/temperatura de ruido total.
donde Rb es la tasa de bits.
(bit/s) log106,228dBt,dB
b
o
b RT
C
�
E−+
=
47
EJEMPLO DE ENLACE DIGITALEJEMPLO DE ENLACE DIGITAL
Banda 14/11 GHz ; Rb = 120 Mbit/s ; Satélite ECS
- Enlace Ascendente
24,4
-80,8
105,2
-228,6
-123,4
-5,3
-0,6
-207,5
90
+64
-7
+33
dB(Eb/No)a
dBs (-10·log (120·106))1/Vb
dBHz(C/No)a
dBW/K-HzK
dBW/K(C/T)a
dB/KG/Tsat
dBLa
dBLbfa
dBWPIRE
dB (antena de 15 m a 14 GHz)Gta
dBPerdidas
dBWPta
48
- Enlace Descendente
dB-0,6Perdidas
dBW40,8PIREsat
19,7
-80,8
100,5
-228,6
-123,4
37,7
-0,4
-205,6
dB(Eb/No)d
dBs1/Vb
dBHz(C/No)d
dBW/(K-Hz)K
dBW/K(C/T)a
dB/K (GET = 62 dB; T = 270 K)G/TET
dBLd
dBLbfd
49
- Relación Eb/No total
� Probabilidad de error despreciable
dB 4,18
71,69
0143,033,93
1
42,275
11
=
=
=+=
−
to
b
to
b
to
b
�
E
n
e
n
e
50
RADIODIFUSIRADIODIFUSIÓÓN ANALN ANALÓÓGICA POR SATGICA POR SATÉÉLITELITE
� Relación Señal/Ruido
(C/N)tot: Relación portadora/ruido para el enlace globalI: Factor de mejora de FM
P+W: Ganancia de-énfasis y ponderación videométrica (16,3 dB)∆fpp: Excursión de frecuencia de cresta a crestaBT: Anchura de bandafv: Frecuencia de video
)( WPI�
C
�
S
totvo
+++
=
v
T
v
pp
f
B
f
fI
2
2
3
∆=
51
L: Degradación debida a la influencia del enlace ascendente
L�
C
�
C
edescendenttot
+
=
( )( )
( ) ( )
−+−=
=
−
10
//log1·log10
/
/·log10
1 ad
d
t
�C�CL
nc
ncL
52
SISTEMAS VSATSISTEMAS VSAT
� Para aplicaciones de control distribuido con una estación central (HUB) y múltiples terminales en una amplia zona geográfica.
� G/T elevada en el HUB y G/T reducida en los terminales (antenas de pequeña abertura y tamaño).
� Sistemas SCADA (Supervisor Control And Data Acquisition)
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� Ventajas: – Accesibilidad de los terminales.– Facilidad de instalación.– Escalabilidad.– Adaptación a tipos de tráfico.– Calidad y disponibilidad elevadas
� Multiacceso: TDM/TDMA
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ESQUEMA DE RED VSATESQUEMA DE RED VSAT
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PROCEDIMIENTO DE TRANSMISIPROCEDIMIENTO DE TRANSMISIÓÓNN
� FA/TDMA (asignación fija): Utilizado cuando la RTU tiene tráfico continúo de datos. se reserva un intervalo (slot) de tiempo dentro de la trama, exclusivamente para ella.
� RA/TDMA (acceso aleatorio): La RTU puede transmitir cuando quiera, utilizando la técnica ALOHA ranurado.
� DA/TDMA (asignación por demanda): En este procedimiento, cuando una RTU tiene datos que transmitir, pide al sistema la reserva de un intervalo de tiempo para poder hacerlo. Existen típicamente dos clases.
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� RM/TDMA (modo con reserva): en el cual, para un intervalo de tiempo, se utiliza el procedimiento ALOHA ranurado, sin transmisión inicial de parte del mensaje.
� AA/TDMA (asignación adaptable): igual que el anterior, pero con transmisión inicial de parte del mensaje.