Contreras Murillo, Luis Miguel

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., d. ···"· ~ INTRODUCCION A LOS SISTEMAS DE ., COMUNICACIONES MOVILES ., GLOBALES POR SATELITE .-... espués de más de un cuar-to de siglo de operac ión y desarro llo de las comu -nicac iones por saté lite, su aplicac ió n a comuni -... _ .... caciones móv iles ha em-pezado a fl o recer desde hace re lati -vamente poco ti e mpo. El potencia l inherente de los saté lites para co-municacio nes móv il es, así como para la radiodifusión, fu e rel egado a un papel secundario por las apli -cac iones punto a punto desde un primer mome nto. Co n e l inte rés centrado en sati sfacer las neces ida-des de los usuari os de servic ios punto a punto, la potencia lidad de los saté lites no fue ex plotada hasta que la fibra ópti ca limitó sus apli -cac iones punto a punto . En las primeras aplicac io-nes de sistemas de comuni cac iones móv il es po r sa té lit e (M ob il e Sate llite Communications -MSC-), la co mbinac ión de un alto coste y de un equipami ento exces ivamente grande ha mantenido a los s iste mas MSC basados en estac iones espa-c ia les (los propi os saté lites) en un segundo pl ano den tro del mercado de las co municac io nes móv il es per-sonales. Durante todo este ti empo, los sistemas de comun icacio nes LUIS MIGUELCO TRERA MURILLO es estudial1le de sexto cllrso en la E. TS.I. de Telecomunicacióll de Madrid (U PM ). Acrualmellle reali~a S il proyecto en el Deparramelllo de Se/la les. Sistemas y Radicomullicación. • RAMAS DE E STUDIANTES DEL IEEE Luis Miguel Contreras MuriHo móv il es han sido s istemas basados en es tac iones terrenas. Las comunicac iones por sa-té lite se han ca racteri zado durante la última década por la evoluc ión desde servic ios ori entados a red a servic ios ori entados a usuari os. La c lave para la penetrac ión de estos sistemas radi ca en la reducci ón tan-to del tamaño co mo de l coste de l te rminal mini aturi zac ión de co mponentes, ha tenido como resultado la viabili -dad de una nueva generac ión de s istemas móv il es, donde la comu-nicac ión ti ene como base los pro-pios saté lites. Con estos sistemas , ex iste una capac idad de proveer cobertura glo-bal (con ángul os de e levac ión sobre e l hori zonte acep-tab les incluso des-de usuari o, de las ta-ri fas de servic io, y de su interconexión con los s iste mas te rres-tres. Las actuales pre-tensione res iden en impl ementa r un a red g lobal capaz de pro-vee r un acceso in a lá mbri co a los La alta flexibilidad de los sistemas por satélite permitirá adaptar su capacidad a las condiciones de alta variabilidad de de reg iones pola-res) con di versidad de usuari os (voz, imágenes y datos) ta nt o e n ti e rr a como en e l mar o en e l a ire (se rvicio móv il te rres tre , m a rítim o y ae r o n á uti co) , siempre desde te r-minales de usua-rio portátil es. Ade-usuari os dondequiera que se e nc ue ntre n, usa nd o un dir ecc io n a mi e nt o tráfico de los sistemas móviles. personal de ca rácte r uni versa l; es dec ir, sati sfacer cada un a de las neces idades de las comu-ni cac io nes móv il es en dife rentes escenarios de tráfico (urbanos, ru -ra les, e tc.). La idea es recoger, en un único estándar, las di fe rentes tec no logías (s iste ma ce lul ares, in a lámbricos, saté lite, etc.). DESCRIPCIÓN GENERAL El desarrollo ll evado a cabo en los últimos años en áreas como e l procesami ento di gita l de la voz , la tec no logía de sa té lites y la más, es tos s iste-mas puede n pro-porcionar servic io en zonas e casa-mente pobladas o en zonas donde la implementac ión de una red móvil te rrestre sería irrea li zable (como en los océanos) o demasiado cara , reconociendo de e te modo la im-portancia fundamenta l que e l com-ponente saté lite ti ene como com-pl emento de l segmento terres tre. La a lta fl ex ibilidad de los sistemas por saté lite perm itirá adaptar su capac idad a las condic iones de a lta va ri abi I idad de tráfico de los siste-mas móvi les. La pos ibilidad de pro-porc ionar servicios de pos ic iona-49 miento, navegación y emergencia hace más atractivo aún el servicio integrado. su uso está lejos de ser generaliza-do. Para transmisiones digitales, el retardo inhibe el empleo de proto-colos correctores de errores, que requieren detección del ms de retardo con sistemas GEO [Bec-94]). Sin embargo, el retardo en sistemas LEO y MEO es mucho menor, y con unos efectos. menos Para alcanzar estos objetivos han sido consideradas diferentes configuraciones orbitales, concre-tamente constelaciones de varios satélites en órbita media (Medium Earth Orbits -MEO- siendo la alti-tud a la que se encuentra el satélite H>5000 Km) o en órbita baja (Low Earth Orbit -LEO- con 500<H<1000 Km), sobre órbitacir-cularl inclinada o polar. error y retransmisión selectiva de las tramas en fallo [Pri-93], [Wu-94]. Podemos conside-rar además los retar-dos de procesamiento asociados con vocoders. Así, para 4.8 Kbps de voz digitalizada es del or-den de 60 a 80 ms. Por otro lado, las celdas TDMA pueden intro-ducir de 20 a 90 ms de retardo [Rus-93]. Las antenas graves. Así, para satélites LEO el retardo de propa-gación se encuen-tra entre 5 y 10 ms, mientras que para satélites MEO está entre 70 y 80 ms. Con la utilización de satélites a altitudes más ba-jas es más fácil omnidireccionales usadas en terminales móviles El empleo de órbitas no geostacionarias ofrece ventajas frente a la ya conocida órbita geostacionaria para la provisión del servicio móvil. A continuación se enumeran: necesitan, para que el enlace sea fiable, ángulos de elevación del orden de 20° a 30° 1) Una importante objeción hacia los sistemas de órbita geostacionaria (Geostationary Earth Orbit -GEO-) En países desa-rrollados, un porcentaje relativa-mente grande (cerca del 40%) de los enlaces de comu-es su retardo de pro-pagación, inevitable debido a su gran dis-tancia y a la veloci-dad finita de la luz. La altitud de la órbi-ta geostacionaria es de 35.786 Km. El retardo que implica un trayecto desde la estación terrena has-ta el satélite y de nue-vo a una estación terrena, está com-prendido entre 240 y En Asia la nicaciones serán de usuario de servicio móvil a usuario de servicio móvil. En regiones como Asia todavía la densidad de líneas telefónicas está por debajo de las 4 por cada 100 habitantes frente a las 33 por cada 100 habitantes de Euro-pa y las 55 por cada 100 habitantes de densidad de líneas telefónicas está por debajo de las 4 por cada 100 habitantes frente a las 33 por cada 100 habitantes de Europa. 270 ms. En una conexión interna-cional típica, el retardo de ida y vuelta puede situarse entorno a 0.6 s. Su efecto en una conversación puede ser la distracción en el mejor de los casos, mientras que en el peor puede hacerla imposible si se ve agravada por el eco al final de la línea. El eco puede ser controlado con circuitos de cancelación, si bien EE.UU. [Zaf-94]. En estos casos será necesario muy probablemente un doble salto a tra-vés del satélite o una conmutación de circuitos en el propio satélite, incrementando, por consiguiente, los retardos de propagación por encima de un valor aceptable, que es aquel que se sitúa alrededor de 500 ms (en determinadas circuns-tancias pueden alcanzarse hasta 820 satisfacer el enla-ce, incluso con terminales portátiles (alrededor de 350 gr) de baja potencia, así como reducir los retardos de propagación y el tamaño de las células [Rus-93]. 2) Con sistemas LEO y MEO es posible la cobertura global, en concreto la cobertura de las regio-nes polares, con ángulos de eleva-ción aceptables (hay que notar que el usuario debe tener visión del satélite con un ángulo de elevación mayor de 15° para tener un enlace fiable [Del-95]). Los sistemas GEO se carac-terizan por la ausencia de cobertura de las latitudes más al norte y más al sur. Un satélite geostacionario se encuentra por debajo del horizonte para latitudes mayores de 81°. De-bido a las anomalías de propaga-ción próximas al horizonte, incluso estaciones fijas con grandes ante-nas a menudo tienen dificultades trabajando con ángulos cercanos a 5°. El límite práctico de trabajo puede, por tanto, establecerse en 75°. Algunos autores ([Ana-95], [Wu-94]) agrupan estas configuraciones de forma diferente. Así, hablan de grandes LEO y pequeñas LEO (Big-LEO's y Little-LEO's en la literatura). Las grandes LEO se caracterizan por una gran capacidad, permitiendo la transmisión de voz. Reciben la denominación de "grande" debido a que los satélites deben tener suficiente potencia y ancho de banda para proporcionar calidad suficiente al servicio de voz en terminales portátiles, y deben, además, proveer otros servicios, tales como transmisión de datos, facsímil y radiodeterminación. A pesar de ser designados como LEO, los sistemas agrupados en esta categoría incluyen sistemas MEO. Los pequeños LEO son denominados de esta manera debido a que sus satélites deben ser pequeños en tamaño y ligeros en masa, proporcionando servicios que requieren bajo ritmo binario (del orden de 1 Kbps). 50 BURAN N°7 ABRIL 1996 Altura de Inclinación Periodo Número de Número de Número Sistema la órbita planos satélites total de (km) orbitales por plano satélites GONETS 1.390 83° 113.56' 6 6 36 LEOSAT 970 40° 104.47' 3 6 18 ORBCOM 970 50° / 90° 104.47' 3/2 8/1 24/2 SAFIR 690 98.04° lOO' 1 6 6 STARSYS 1.300 60° 111.59' 4 6 24 TAOS 1.208 57° 109.59' 5 1 5 TEMISAT 950 82.5° 110' 1 2 2 VITASAT 800 98.7427° 101.07' 1 2 2 ARIES 1.018 TELEDESI 700 GLOBALS 1.389 IRIDIUM 780 ODYSSEY 10.373 MAGSS-14 10.354 Las antenas omnidireccionales usadas en ter-minales móviles necesitan, para que el enlace sea fiable, ángulos de ele-vación del orden de 20° a 30°. Pue-de argumentarse que las latitudes por encima de 80°, al ser poco po-bladas, no son importantes. Sin em-bargo, latitudes alrededor de 60° (el rango donde los ángulos de ele-vación no cumplirían el criterio más restrictivo para las antenas omnidireccionales) incluye gran parte de Europa [Pri-93]. Un efecto más serio es el producido por los edificios en las zonas urbanas. [Wu-94] sugiere que para un servicio consistente son deseables ángulos mayores de 40°. Esta elevación no puede obtenerse desde latitudes por encima de los 45°. Muchas grandes ciudades europeas como París, Lon-dres, Berlín o Moscú están al norte de esta latitud. Por el contrario, altos ángulos de elevación pueden obtenerse fácilmente para sistemas LEO y MEO con órbita inclinada o polar. • RAMAS DE ESTUDIANTES DEL IEEE 90° 105.5' 4 98.2° 98.77' 21 47°/52° 113.53' 8/8 86.4° 100.13' 6 55° 359.53' 3 53.98° - 7 3) Con sistemas LEO y MEO puede hacerse uso de la diversidad, ya que en estos casos hay visibili-dad simultánea de diferentes saté-lites (típicamente 3 o 4 [Bec-94]), lo que posibilita emplear técnicas de diversidad y vencer los proble-mas de ocultamiento, entre otros. 12 48 40 840 3/6 24/48 11 66 4 12 2 14 menor, al mismo tiempo que se reducen los riesgos de fallos en el lanzamiento, afectando solamente a una parte de la misión en lugar de afectar a la misión entera. Por últi-mo, es posible implementar múlti-ples lanzamientos con un coste sustancialmente bajo debido a la economía de escala. 4) Los satélites de sistemas LEO y MEO son más pequeños y li-vianos que los satélites GEO. Dentro de estos pequeños satélites se definen los micro-saté-lites, con una masa en-tre 50 y 100 Kg, y los mini-satélites, con una masa que oscila entre los 500 y los 750 Kg (estos límites son me-ramente indicativos). Bajo ciertas circunstan-Conforme se Conforme se incrementa la altitud orbital, se incrementan los costes de la situa-ción del satélite en ór-bita. La masa disponi-ble en la órbita operativa final será re-ducida, debido al com-bustible consumido en situar al satélite en di-cha órbita. El combus-tible empleado depen-de exponencialmente cias, la inversión total incrementa la altitud orbital, se incrementan los costes de la situación del satélite en órbita. de los incrementos de en varios satélites pequeños de pro-pósito no general en vez de un satélite grande de propósito gene-ral puede resultar sustancialmente velocidad necesarios para cada cambio orbital, el impul-so específico del combustible, y de un conjunto de detalles menores referidos al diseño del vehículo y a 51 la misión de lanzamiento. Hay que notar que tipicamente solo una pe-queña fracción de la masa se trans-fiere a la órbita operativa. Por tan-to, la penalización en coste conforme se finales de ese año, a pesar de que cada nación poseía un estándar (analógico) individual, con lo que, en general, no era posible un uso a nivel europeo. Este he-cho cambia con la in-En el año 2005, las incremanta la altitud de la órbita es sus-tancial, aunque se re-quiera menor núme-ro de satélites, ya que serán más grandes y con mayor potencia. Por otro lado, la potencia a trans-mitir y el tamaño de la antena son fun-ción de la altitud, y ambos tienen un efecto inmediato so-comunzcacwnes por satélite representarán un negocio de unos 50.000 troducción del sistema GSM, que contaba con 1.100.000 usuarios a fi-nales de 1993, y que tiene como expectativas alcanzar más de 8.000.000 en 1996 y 20.000.000 en el año 2000 (aproximadamen-te entre el 2% y el 5% de la población respec-tivamente). Se estima que Europa representa-millones de dólares bre la masa del saté-lite, a través del tamaño de los paneles solares para proporcionar la potencia, de la masa del transmi-sor, de la masa de la antena, y del control necesario para mantenerla apuntada. Es evidente que la es-tructura del satélite se incrementa con el incremento de la masa de estos subsistemas [Ana-95] [Pri-93]. EXPECTATIVAS COMERCIA-LES [Ana-95], [UIT-95], [Zaf-94] Desde el punto de vista co-mercial, los servicios móviles por satélite (telefonía, mensajería, buscapersonas, transmisión de da-tos e imágenes, fax, etc.) son extre-madamente atractivos, llegando a suponer un sector significativo den-tro del mercado, al menos donde la cobertura de los actuales sistemas celulares es pobre, aumentando de este modo la cobertura celular. Este mercado está creciendo enorme-mente. Las estimaciones de 1982 indicaban una presencia de no más de 900.000 usuarios en EE.UU. ha-cia el año 2000. Sin embargo, los teléfonos celulares en todo el mun-do eran 7.800.000 en Abril de 1990, llegando a más de 15.800.000 en Mayo de 1992, y más de 25.000.000 en Julio de 1993. Sólo en Europa había 6.000.000 de usuarios en Fe-brero de 1993, y casi 7.500.000 a 52 rá el 25-35% del mer-cado total, que los paí-ses de la NAFTA (EE.UU., Canadá y Méjico) representarán el 50%, y que el restante 15-25% se concen-trará en el área del Pacífico y en parte de Latinoamérica. Así, más de 100.000.000 de personas en el mundo harán uso de servicios de comunicaciones perso-nales (Personal Communications Services -PCS-) en el año 2000, de las cuales una porción razonable podría hacer uso de las comunica-ciones por satélite, considerando su cobertura global y el uso de ter-minales portátiles. Además podrían contar con un bajo coste con termi-nal de usuario, con interconectividad con la red públi-ca telefónica conmutada y con otras redes celulares, y con la capacidad de conexiones directas usuario-usuario. Se piensa, por tanto, que para el año 2000 habrá entre 3 y 5 millo-nes de usuarios de comunicaciones por satélite, mientras que se situará entre 12 y 15 millones en el año 2008. En el año 2005, las comuni-caciones por satélite representarán un negocio de unos 50.000 millo-nes de dólares (alrededor de 6.5 billones de pesetas). Participarán en este negocio los fabricantes de satélites y lanzadores, las agencias encargadas de su seguimiento, las aseguradoras de equipos, las com-pañías de material de telecomuni-caciones, etc. Sólo en la Unión Europea generará un mercado de 39.000 millones de dólares (507.000 millones de pesetas) en el año 2010. Por último, resta señalar que la UIT calcula que el coste de lla-mada a través de una red de comu-nicaciones persona}es vía satélite puede estar en los 2-3 dólares (260-390 pesetas) por minuto, siempre y cuando no tenga que pasar por una red fija y se establezca entre dos abonados al sistema de satélites. BIBLIOGRAFIA [Ana-95] F. ANANAsso, F. 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Introducción a los sistemas de comunicaciones móviles globales por satélite

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