Apuntes de comunicaciones

Comunicaciones Inalámbricas.

REDES y COMUNICACIONES IPágina No. 1

REDES y COMUNICACIONES I

Módulo Comunicaciones Inalámbricas

CONTENIDO

1. Transmisión Inalámbrica.

2. Radio Celular.

3. Comunicaciones Satelitales.

4. Ordenamiento de Frecuencias.

5. Estructura y Funcionamiento de un Satélite.

6. Estructura y Funcionamiento de una EstaciónTerrena.

7. Aspectos Prácticos de la ComunicaciónSatelital.



REDES y COMUNICACIONES IMódulo : Comunicaciones InalámbricasTema : Introducción

COMUNICACIONES INALAMBRICAS.• Necesidades de los usuarios de los años 90´s:

Estar en línea TODO el tiempo.

Estar en línea desde CUALQUIER sitio.

• Para estos usuarios, las comunicaciones inalámbricas son larespuesta, la infraestructura tradicional de comunicaciones esinsuficiente.

• Los expertos pronostican que en el futuro tendremosúnicamente dos clases de medios de comunicación: Fibra e

• Todos los computadores fijos, teléfonos, faxes utilizarán fibra ylos usuarios móviles, medios inalámbricos.

• Radiocomunicaciones:

La radiocomunicación es la técnica que permite el intercambiode información entre dos puntos geográficos, mediante latransmisión y recepción de ondas electromagnéticas.

Transmisor Receptor

Distancia entre antenas



REDES y COMUNICACIONES IMódulo : Comunicaciones InalámbricasTema : Transmisión Inalámbrica

1.TRANSMISION INALAMBRICA.

1.1. Principios físicos.

• Cuando los electrones “vibran” generan ondaselectromagnéticas que se propagan por el espacio libre.

Electrón Vibración

• El físico británico James Maxwell, en 1865, predijo elcomportamiento de estas ondas.

• El físico alemán Heinrich Hertz, en 1987, produjo y observóestas ondas.

GeneraciónDe Onda

Electromagnéticas

Amplitud

Tiempo

1ciclo=Período



REDES y COMUNICACIONES IMódulo : Comunicaciones InalámbricasTema : Introducción

• Conceptos Básicos:

Período (T):

Tiempo que le toma a una señal completar una oscilacióncompleta.

Frecuencia (f):

Número de oscilaciones de la señal en un segundo.

Longitud de Onda (λ):

Distancia entre dos máximos o mínimos.

• Adicionando una antena, de un tamaño apropiado a un circuitoeléctrico, las ondas electromagnéticas generadas pueden sereficientemente radiadas en broadcast y recibidas por unreceptor lejano.

• Cuando se aplica potencia de radiofrecuencia a una antena, loselectrones contenidos en el metal del cual son parteconstituyente, comienzan instantáneamente a oscilar.

• Estos electrones en movimiento, constituyen una corrienteeléctrica que produce la aparición de un campo magnéticoconcéntrico al conductor (antena) y un campo electrostáticocuyas líneas de fuerza son perpendiculares a las líneas defuerza del campo magnético.

• Cuando la onda senoidal fluye a través del conductor de laantena, los campos eléctricos y magnéticos resultantes varíanen forma y valor siguiendo paso a paso las variaciones de lacorriente que les da origen.

• Todas las comunicaciones inalámbricas se basan en esteprincipio.




• En el vacío, todas las ondas electromagnéticas se propagan ala misma velocidad (independientemente de su frecuencia): Lavelocidad de la luz, c, 3 x108 m/seg.

• La velocidad de la luz es el límite último, ningún objeto o señal

• La relación fundamental entre f, λ y c (en el vacío) es:

λf = c




1.2.Espectro Electromagnético

• El espectro electromagnético, el medio físico utilizado para lastransmisiones inalámbricas, se muestra en la siguiente figura:

100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024

Radio Microondas Infrarrojo UV Rayos-X RayosGamma

Luz Visible

104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016

Par Trenzado Satélite

Coaxial

Microondas Terrestres

Radio AM Radio FM

Fibra Optica TV




• Radio, microondas, infrarojo, porción visible de luz son franjasde frecuencia del espectro que pueden ser usadas paratransmitir información modulando la amplitud, la frecuencia o lafase de las ondas.

• Luz UV, Rayos X y Gamma podrían tener un mejorcomportamiento debido a su mayor frecuencia, sin embargo,resultan más difíciles de producir y modular, no se propaganbien a través de los edificios y son peligrosos para los seresvivos.

• Las bandas de frecuencias listadas en la figura anterior son losnombre oficiales asignados por el ITU y se basan en laslongitudes de onda.

• La cantidad de información que una electromagnética puedetransportar se encuentra relacionada con su ancho de banda:

α Banda de Frecuencias para Transmisión

• En consecuencia, cada desarrollador aspira a ofrecer susservicios a una tasa de datos mayor utilizando una franja mayordel espectro.

• En los Estados Unidos, la FCC asigna el espectro para radio(AM,FM), televisión y telefonía celular, además para compañías

policia, gobierno, militares y servicios denavegación.

• A nivel mundial la WARC, una agencia del ITU-T realiza estetrabajo.




• La mayoría de las transmisiones utilizan una banda estrecha defrecuencia para asegurar una mejor recepción.

• Sin embargo, en algunos casos, el transmisor salta (“HOP”) defrecuencia en frecuencia en un patrón regular de transmisiónintencionalmente disperso sobre una banda amplia defrecuencias.

• Esta técnica es llamada ESPECTRO DISPERSO (“spreadspectrum”) y es una técnica que resulta popular encomunicaciones militares porque dificulta su detección einterferencia.




1.3. Transmisión de Ondas de Radio.

• Las ondas de radio son fáciles de generar, pueden viajargrandes distancias y penetrar edificios fácilmente.

• Las ondas de radio son OMNIDIRECCIONALES.

• Viajan en todas las direcciones desde la fuente, por tal motivo,el transmisor y el receptor no tienen que estar cuidadosamentealineados.

• Las propiedades de las ondas de radio son dependientes de lafrecuencia:

A bajas frecuencias:

Las ondas de radio pasan muy bien a través de losobstáculos, sin embargo, la potencia de la señal disminuyedramáticamente (1/r3) con la distancia a medida que nosalejamos de la fuente.

A altas frecuencias:

Las ondas tienden a viajar en línea recta y a ser interferidaspor los obstáculos y a ser absorbidas por el agua.

• Las ondas de radio, independientemente de la frecuencia, seencuentran sujetas a interferencias por motores y equiposeléctricos.

• Debido a su habilidad para viajar a través de grandesdistancias, el problema de la interferencia entre usuarios es unproblema crítico.




• En las bandas VLF (104), LF (105) y MF (106) las ondas de radiosiguen la superficie de la tierra.

• En las bandas de HF (107) y VHF (108), las ondas tienden aser absorbidas por la tierra, sin embargo, si las ondas alcanzanla ionosfera (una capa de la atmósfera compuesta porpartículas cargadas que circundan la tierra entre 100 y 500Kms.) se refractan y envían de regreso a la Tierra.

• Los radiofacionados usan estas bandas para comunicarse.

• En resumen, las ondas electromagnéticas se pueden propagarbajo tres esquemas:

Propagación por Onda Terrestre.

Propagación en Línea Recta (Alcance Visual).

Propagación por Onda Espacial.




1.3.1. Propagación por Onda Terrestre.

• En este tipo de propagación se observa que las ondasterrestres mantienen contacto permanente con la superficie dela tierra desde la antena transmisora hasta la receptora.

• Estas ondas pueden detectarse en distancias de hasta 1000Kms.

• El movimiento sobre el terreno provoca la aparición decorrientes eléctricas que debilitan la onda original a medida quela misma se aleja de la antena transmisora.

• A una determinada distancia (desde la antena transmisora), quedepende de la potencia emitida y de la frecuencia, la amplitudde la onda terrestre se anula.

• A medida que la longitud de onda disminuye, las corrientesinducidas en el terreno debilitan tanto la onda terrestre a talpunto que la pérdida total de energía provoca la desapariciónde la onda.

• Las ondas de estas bandas penetran fácilmente los edificios,esta es la razón por la cual los radios de AM trabajan al interiorde los edificios.

• El principal problema asociado con el uso de estas bandas enla comunicación de datos es que su ancho de banda esrelativamente bajo.




1.3.2. Propagación en Línea Recta (Alcance Visual).

• Este tipo de propagación se caracteriza porque la onda emitidadesde la antena transmisora, viaja en forma directa a la antenareceptora sin tocar el terreno ni la ionosfera.

• Este tipo de radiación, se utiliza principalmente en bandas defrecuencias muy elevadas (VHF) y ultraelevadas (UHF).

• Un ejemplo práctico de esta forma de transmisión lo constituyenlos servicios de televisión y radiodifusión de frecuenciamodulada.

• En este tipo de propagación, las alturas de las antenastransmisora y receptora, y la distancia entre las mismas tienenuna importancia fundamental para la comunicación.




1.3.3. Propagación por Onda Espacial.

• Excepto para algunas comunicaciones locales, que puedenrealizarse por onda terrestre, la mayoría de las comunicacionescomprendidas en la banda de frecuencias que comprende de 3a 30 Mhz (HF) se efectuan por onda espacial.

• Este tipo de onda, emitida desde una antena transmisora, esrefractada por la ionosfera y retorna a la tierra.

Punto de Refracción

Onda Reflejada Onda Incidente Primer Salto Segundo Salto

Transmisor TIERRA Capa Ionosférica

• Estas transmisiones son inestables pues dependen delcomportamiento de la ionosfera.

• La ionosfera es una zona de la atmósfera afectada por la radiaciónultravioleta del sol, rayos cósmicos, materiales, etc.




• La ionosfera es una zona formada por las ondaselectromagnéticas provenientes del sol y está conformada porlas siguientes capas o regiones:

Región D. Capa E. Capa F1. Capa F2.

• Cuando una onda electromagnética, de longitud de ondacorrespondiente al ultravioleta, choca con un átomo en laatmósfera, el resultado más probable es que algunos o varioselectrones del átomo salten de una órbita interior a una exteriorabsorbiendo la energía de la onda incidente.

• La absorción de energía puede ser suficiente para desprendercompletamente al electrón de su átomo.

• El átomo queda cargado positivamente y se conoce como IONPOSITIVO.

• Las ondas ultravioletas del sol, al pasar a través de lacrea pares de iones positivos y electrones libres.

• La densidad de los iones depende fundamentalmente de laradiación solar y de la densidad de la atmósfera.

• Las capas ionizadas (de ahí el nombre de ionosfera) de laatmósfera son las inferiores, dan lugar a una superficie esféricaalrededor de la superficie terrestre con unas propiedades depropagación diferentes a las del resto de la atmósfera.




• Cuando se establece una comunicación de larga distancia,mediante la onda espacial, ésta incide sobre las capasionizadas de la ionósfera, y se refracta nuevamente hacia latierra.

• El ángulo de incidencia es importante para que exista o norefracción.

• En caso de que la refracción ocurra, se dice que la onda es“reflejada” por la ionosfera.




1.4. Transmisión de Microondas

• Por encima de los 100 Mhz las ondas viajan:

En línea recta.

Concentradas en un haz.

• Concentrando toda la energía en un pequeño haz usando unaantena parabólica permite mejorar las condiciones de latransmisión, sin mebargo, las antenas de transmisión yrecepción DEBEN estar cuidadosamente alineadas.

• Antes de la aparición de la fibra óptica, las microondas seconstituían en el corazón de los sistemas de transmisión delarga distancia.

• Dado que las microondas viajan en línea recta y si las torresdonde se ubican las antenas están muy separadas, la curvaturade la tierra podría constituirse en un obstáculo, porconsiguiente, se necesitan ubicar repetidores periódicamente.

• La distancia entre repetidores es proporcional a la raízcuadrada de la torre.

• A diferencia de las ondas de radio de baja frecuencia, lasmicroondas NO penetran los edificios bien.

• Igualmente, aún a pesar de que el haz se enfoca en latransmisión, experimenta alguna divergencia en el espacio.

• Algunas ondas podrían refractarse en las capas bajas de laatmósfera y podrían llegar con un ligero retraso respecto deaquellas que llegan directamente.




• Las ondas retrasadas podrían llegar fuera de fase respecto delas ondas que llegan directamente y cancelar la señal.

• Este efecto se denominan MULTIPATH FADING y usualmentees un serio problema.

• El efecto multipath fading es dependiente del clima y de lafrecuencia.

• La demanda por más y más espectro presiona a la tecnologíapara hacer posible las transmisiones a frecuencias cada vezmás altas.

• Bandas por encima de los 10 Ghz comienzan a ser de usofrecuente, sin embargo, cerca de los 8 Ghz, un nuevo problemaempieza a hacer su aparición: La absorción por el agua.

• Estas ondas, de una longitud muy corta son fácilmenteabsorbidas por la lluvia.

• Aplicaciones:

Comunicación telefónica de Larga Distancia.

Teléfonos Celulares.

Distribución de Televisión.

• Frente a la indispensable obra civil necesaria para la instalaciónde la Fibra Optica, la inversión en un enlace de microondasresulta más económica. Ubicando dos torres y antenas en cadauna de ellas, podría resultar más eficiente que tender fibra en



1.5. Ondas Infrarojas y Milimétricas.

• Ondas de infrarojo NO guiado y milimétricas son usadasampliamente en comunicaciones de corto rango.

• Ejemplo: Control remoto de electrodomésticos.

• Características:

Relativamente direccionales, económicas y fáciles deconstruir.

A medida que nos acercamos al espectro de luz visible, lasondas se comportan más como luz y menos como radio.

• El hecho que las ondas infrarrojas no pasen a través de losmuros de las paredes es un hecho positivo:

• Los sistemas infrarrojos de un cuarto NO se interfieren con sussimilares de cuartos adyacentes.

• La seguridad de los sistemas infrarojos contra intrusos es mejorque la de los sistemas basados en radio.

• Por estas razones, NO es necesario licencia gubernamentalpara operar estos sistemas.

• Las propiedades anteriormente descritas hacen del infrarojouna interesante tecnología candidata para la implantación de

Wireless LAN).




1.6. Transmisión en el espectro visible (Lightwave Transmission).

• Permiten la conexión de redes LAN en dos edificios vía lasersubicados en sus azoteas.

• La señalización óptica vía láser es eminentementeunidireccional, por lo tanto, cada edificio necesita su propioláser y su propio fotodetector.

• Características de este esquema:

Gran ancho de banda.

Bajo Costo.

Fácil de Instalar.

No requiere licencia.



REDES y COMUNICACIONES IMódulo : Comunicaciones InalámbricasTema : Radio Celular

2. RADIO CELULAR• El uso de canales inalámbricos satisface un requerimiento clave

de los usuarios de los años 90: Movilidad.

• Durante los últimos años hemos visto como se incrementa eluso de sistemas que usan ondas de radio en lugar de aquellosque utilizan cables y fibras.

• Estos sistemas jugarán un papel clave en la conectividadofrecida a notebooks computers, shirt pocket telephones ypersonal digital assistant en los próximos años.

• Aplicaciones por analizar:

Sistemas Paging

Teléfonos Inalámbricos

Teléfonos Celulares

• Estos sistemas se están mezclando para producircomputadores con la capacidad de enviar/recibir llamadastelefónicas, faxes, email, con la capacidad de buscar yrecuperar información de bases de datos remotas.

• Podemos esperar en los próximos años la convergencia de laindustria de los computadores, de la industria de los teléfonos yde la industria de los canales satelitales




2.1. Sistemas Paging.

• Page: Buscar Llamando.

• Los primeros sistemas de paging usaban parlantes en un únicoedificio.

• En la actualidad, se utilizan beepers con una pequeña pantallapara desplegar los mensajes que llegan.

• Cuando una persona desea enviar un mensaje:

Llama a la compañía de beeper.

Proporciona la información.

El computador que recibe la llamada trasmite a una antenala cual efectua un broadcast del mensaje directamente (parapaging local) o a un satélite (para paging de gran distancia).

Cuando el beeper detecta su número único de identificaciónen el haz de radio: suena y despliega la información de lallamada.

Juan CarlosEs solicitadoen ellaboratorio

Juan Carlos




• La mayoría de los sistemas paging tienen la propiedad de sersistemas de una sola vía (one-way systems), en ellos, un solocomputador presta servicio a un gran número de receptores.

• No existe problema acerca de quien debe hablar, no existecompetencia de los usuarios por el sistema (contienda), existeun único emisor en el sistema.

• Los sistemas de paging requieren de un pequeño ancho debanda para operar dado que cada mensaje requiereúnicamente de una ráfaga de 30 bytes.

• Con esta tasa, un canal de 1 Mbps podría manejar alrededor de240.000 pages/minuto.

• Los sistemas actuales corren en la banda de 930 a 932 Mhz.




2.2. Telefonía Inalámbrica.

• Un teléfono inalámbrico consta de dos partes:

Una estación base.

Un Teléfono.

• La estación base se conecta al sistema telefónico fijo.

• El teléfono se comunica con la estación base a través de radioa baja potencia.

• El rango típico fluctua entre 100 y 300 metros.

• Dado que lo que los teléfonos se comunican excluvisamentecon la estación base, los primeros teléfonos inalámbricoscarecían de estandarización alguna.

• Algunos de los modelos más baratos usaban frecuencia fijaseleccionada en fábrica.

• Si por accidente, los teléfonos de dos vecinos usaban la mismafrecuencia, se podían escuchar mutuamente las llamadas encada una de las residencias.

• Modelos más costosos permitían al usuario resolver esteproblema seleccionando la frecuencia de transmisión.

• La primera generación de teléfonos inalámbricos conocidacomo CT-1 en Estados Unidos y CEPT-1 en Europa fuecompletamente análoga y podía y eventualmente lo hacíacausar interferencia con radios y televisores.




• Se desarrolló posteriormente un estándar digital, CT-2desarrollado en Inglaterra.

• En 1992, se desarrolló la tercera generación: CT-3 o DECTroaming entre estaciones base.



REDES y COMUNICACIONES IMódulo : Telefonía CelularTema : Concepto

2.3. Telefonía Celular

2.3.1. Concepto

• Que es ?

Es un Servicio Público de Telecomunicaciones Personales.

• Que permite ?

La comunicación telefónica entre abonados con la posibilidadde movilidad dentro de un área de cobertura definida.

• Es el resultado de la integración de dos servicios públicos:

La telefonía convencional de línea de conducción fija

Las radiocomunicaciones.



REDES y COMUNICACIONES IMódulo : Telefonía CelularTema : Antecedentes Históricos

2.3.2. Antecedentes Históricos.

• Qué se deseaba ?

Integrar los servicios de telefonía y radiocomunicaciones.

• El primer intento...

El Sistema de Radio Telefonía Móvil (IMTS)

• Constaba de una central telefónica que controlaba una o variasestaciones base de radio de gran potencia y cobertura.

• Las estaciones de radio tenían baja capacidad de atención ausuarios y requerían de terminales de gran tamaño los cualesestaban ubicados en automóviles.



REDES y COMUNICACIONES IMódulo : Telefonía CelularTema : La Telefonía Celular

2.3.3.La Telefonía Celular

• Tiene un principio de funcionamiento similar al sistema de radiotelefonía móvil.

• Su diferencia radica en que las CELDAS (el area de coberturade las estaciones base de radio) son pequeñas.

• Una zona de servicio es atendida por varias celdasentrelazadas lo que proporciona una gran capacidad deatención de abonados.

• Permite la reutilización de las frecuencias.

• Permite la utilización de terminales de varios modelos, entreellos los personales o portátiles.



REDES y COMUNICACIONES IMódulo : Telefonía CelularTema : Estándares

2.3.4. Estándares

• Pueden ser:

Análogos

Digitales

• Estandares Analogos:

AMPS: Advanced Mobile Phone System Opera en la Banda de 800 Mhz USA 1983

TACS: Total Access Communication SystemReino Unido 1984

NMT: Nordic Mobile TelephoneEscandinavos1981: Banda de 450 Mhz1986: Banda de 900 Mhz



REDES y COMUNICACIONES IMódulo : Telefonía CelularTema :

• Estandares Digitales

GSM: Global System for Mobile CommunicationsPortadoras espaciadas 200 Khz

AMPS D: Advanced Mobile Phone SystemDigital

• En el espectro electromagnético se ha asignado la banda delos 800 Mhz para la telefonía celular, la cual se subdividio endos.

• En COLOMBIA se asigno de la siguiente forma:

Banda A (Operadoras Mixtas)

Banda B (Operadoras Privadas)



REDES y COMUNICACIONES IMódulo : Telefonía CelularTema : Configuración Red Celular

2.3.5. Configuración de la Red Celular.

• Una red celular se encuentra conformada por cuatro (4)componentes fundamentales:

Centro de Conmutación Móvil (CCM)

Estaciones Base (EB)

Estaciones Móviles (EM)

Red de Interconexión.

• Esquema de una Red de Telefonía Celular:

E.B E.B. E.B.

C.C.M.

E.B. E.B.

OTROS RED TELEFONICA CCM CONVENCIONAL




Centro de Conmutación Móvil (CCM)

• Es el eje central del sistema celular.

• Tiene las siguientes funciones:

Comunicarse con las estaciones base y ejercer controlsobre ellas a traves de la red de interconexión.

Controlar los canales de radio de las estacionesbase.

Interconectar la red celular con operadores fijas(RTPC) para la comunicación con la telefoníaconvencional.

Interconectar la red con otras operadoras celulares.

Permite la comunicación entre usuarios de las distintasredes.

Presta servicio de Roaming Automático.

• ROAMING AUTOMATICO

Permite el intercambio de usuarios entre redes celulares sinque se pierda la comunicación cuando se cambie de area deservicio.

Determina la celda que provee un mejor serviciopara un abonado.

Reportar fallas de la red celular.

Realizar la tarifación del Abonado A en tiempo real




ABONADO A: Abonado quien inicia la llamada.

• Ofrecer facilidades especiales al usuario:

Llamada en espera

Conferencia

Transferencia de Llamadas

Transmision de Datos

Estaciones Base (EB)

• Es un equipo conformado por un gran computador y unaantena.

• Sirve como interfaz entre la Estación Móvil (EM) y el Centro deConmutación Móvil (CCM).

• Funciones:

Establecer la comunicación del abonado celular quese encuentra dentro de su area de cobertura.

Recibir información del estado del abonado celularencendido, nivel de potencia, número del abonado A,número del Abonado B y el número serial electrónico.

NUMERO SERIAL ELECTRONICOESN- Electrical Serial Number.




• Es un ORGANO SENSITIVO del CCM para evaluar, buscar,identificar e interconectar un abonado celular.

• Es el elemento dinamizador del sistema de comunicacióncelular dado que es el primer elemento que toca lasseñales de radio emitidas por un terminal celular.

• Conforma una o más celdas

CELDA

• Es el area de cobertura de las ondas de radio emitidas por unaantena transmisora.

• En una celda cada canal puede soportar un usuario al mismotiempo.

• Los canales son asignados DINAMICAMENTE durante lallamada y cualquier usuario tiene la posibilidad de acceder acualquier canal.

• El area geográfica se subdivide en CELDAS.

• El area de la celda se delimita en función de parametrosTECNICOS, FISICOS y GEOGRAFICOS.




2.4. Estaciones Moviles (EM)

• Es la terminal operada por el usuario.

• Es un equipo transmisor y receptor de baja potencia que al serdetectado por una estación base dentro de su area decobertura establece una comunicación en ambas direcciones.

• Tipos de Estaciones Moviles:

Portátil

Transportable

Móvil

• Existen dos tipos de comunicacion entre le Estación Móvil y la

Analógica

Digital




• La Comunicación Analógica :

Permite al usuario transmitir voz y datos en la misma formacomo se produce en la fuente.

• La Comunicación Digital:

Empezó a operar en 1993, toma una señal análoga y ladigitaliza.

Ventajas:

Mayor confidencialidad

Descongestión de la Red

(Permite 3 abonados/Canal de voz)

2.5. Red de Interconexión

• Constituída por todos los elementos necesarios para comunicarel Centro de Conmutación Móvil con las Estaciones Base, laRed de Telefonía Fija y otros Centros de Conmutación Móvil.

• Los elementos los conforman enlaces de microondas, redes porcable o fibra óptica.



REDES y COMUNICACIONES IMódulo : Telefonía CelularTema : Características Red Celular

2.6. Características de un Sistema Celular.

• Reutilización de Frecuencias

• Conmutación de canal para llamada establecida(HANDOFF)

Handoff:

• Al ir alejándose el abonado móvil de la celda con una llamadaya establecida, la intensidad de la señal va disminuyendo.

• Al alcanzar un valor umbral la Estación Base envia una alarmaa la Centro de Conmutación Móvil (CCM).

• La CCM pide a las Estaciones Base Local y circundantes medirla intensidad de la señal.

• Una vez se reciben los resultados la Central de ConmutaciónEstacion Base que debe continuar con la

llamada.

• Este procedimiento es transparente al usuario y tarda alrededorde 0,1 segundos.

Roaming

Es una función que permite al abonado realizar llamadascuando se ha desplazado a otras zonas de servicio dondefunciona otra operadora con la cual se ha realizado unconvenio previo.

Call Delivery

Es el proceso complementario, es decir, recibir las llamadas endicha zona.



REDES y COMUNICACIONES IMódulo : Comunicaciones SatelitalesTema : Qué es un Satélite ?

3. Comunicaciones Satelitales3.1. Qué es un Satélite ?

• Es sofisticado repetidor electrónico de microondas localizado enel cielo.

• Orbita alrededor de la Tierra a una distancia de aproximadamente36.000 Kms sobre el Ecuador.

• Se mueve en una órbita fija a la misma velocidad y dirección quela de la Tierra (Cerca de 11.200 Kilómetros por Hora)

• Maneja un ancho de banda muy grande, alrededor de 500 Mhz.

SATELITE

36.000 Kms

Superficie Terretre


REDES y COMUNICACIONES IMódulo : Comunicaciones SatelitalesTema : Qué es un Satélite ?

• Los primeros satélites tenían un haz espacial que cubríaTODAS las estaciones terrestres.

• En la actualidad la estrategia de difusión es más sofisticada

• Cada satélite se encuentra equipado con múltiples antenas ytransponders.

• Cada uno de los haces provenientes del satélite:

Cubre un área geográfica muy pequeña.

Resulta posible realizar varias transmisiones de haceshacia el satélite.

A estas transmisiones se las llama Traza de Ondas Dirigidas.



REDES y COMUNICACIONES IMódulo : Comunicaciones SatelitalesTema : Orbita Geoestacionaria

3.2. Orbita Gesoestacionaria

• Según una de las Leyes de Kepler, el período orbital de unsatélite varía de acuerdo con el radio de la órbita elevado a lapotencia 3/2.

• Cerca de la superficie terrestre: El período es de aprox. 90minutos.

• Los satélites ubicados a esa altura se encuentran a la vista delas estaciones terrestres durante muy poco tiempo.

• A una altura de 36000 Kilómetros por encima del Ecuador:

El período del satélite es de 24 Horas.

El satélite girará a la misma velocidad de la Tierra.

Por consiguiente: TSAT � TTIERRA

• Consecuencias:

El satélite se observa como un punto fijo en el cielo.

NO es necesario que la estación terrena “rastree” el satélite.

A esta órbita se la denomina Orbita Geoestacionaria y hasido considerada como un recurso natural no renovable.

Requisitos:

El satélite debe desplazarse en el mismo sentido derotación de la Tierra.

El satélite debería estar aproximadamente a 36.000 Kms dealtura

El satélite debería tener una velocidad constante de 3075m/seg




• Con la tecnología actual NO es deseable tener satélitesespaciados a una distancia menor de cuatro grados (4º).

• Con una esparación de cuatro grados, SOLO se pueden tener 90

Cómo llegar a la Orbita Geoestacionaria ?

• Para hacerlo es necesario tener en cuenta:

Los principios de la mecánica clásica descubiertos por Newton.

Las Leyes de Kepler.

• Existen tres procedimientos para lograr este cometido:

Inyección Directa en la Orbita Geoestacionaria

Inyección Inicial en una Orbita

Inyección Inicial en una Orbita Circular Baja

• La Inyección Directa en la Orbita Geoestacionaria supone:

El transporte del satélite a través de un cohete hasta la OrbitaGeoestacionaria.

El satélite NO realiza ningún esfuerzo.




• La Inyección Inicial en una Orbita Elíptica supone que:

El sistema lanzador coloque al satélite en una órbita elíptica degran excentricidad (muy alargada).

La Tierra se encuentra en uno de los dos focos de la elipse.

El satélite se separa del cohete y da una o varias vueltas enesta órbita llamada de Transferencia a la Geoestacionaria.

El paso siguiente es ubicar al satélite en la OrbitaGeoestacionaria:

El perigeo (el punto de menor distancia entre la Tierra y elSatélite) se encuentra a una altura de 200 Kms.

El apogeo (el punto de mayor distancia entre la Tierra y elSatélite) se encuentra a una altura de 36.000 Kms., la alturafinal en la que debería quedar.

En el punto de apogeo, el motor del satélite se enciende y seincrementa su velocidad pasando de la Orbita deTransferencia a la Orbita Circular Geoestacionaria.




Orbita Geoestacionaria

Orbita de Transferencia Geoestacionaria

TIERRA Satélite

200 Km. (Perigeo)

Apogeo (36.000 Km)




• La Inyección inicial en una Orbita Circular Baja:

Técnica empleada por la NASA

Consta de tres pasos, los dos últimos son idénticos al casoanterior.

El transbordador despega llevando el satélite y entra en unatrayectoria circular a una altura de 200 Km.

A esta altura, el satélite es expulsado, su velocidad inicial es lamisma de la nave.

El satélite queda en una Orbita Circular Baja o deestacionamiento.

Cuando el satélite vuelve a cruzar por el Ecuador enciende elMotor de Perigeo que lo traslada a una órbita elíptica similar ala del caso anterior.




Orbita Geoestacionaria

Orbita de Transferencia Geoestacionaria Orbita Circular Baja

TIERRA Satélite

Apogeo (36.000 Km)



REDES y COMUNICACIONES IMódulo : Comunicaciones SatelitalesTema : Ordenamiento en Frecuencias

4. Ordenamiento de Frecuencias.

• Con el objeto de prevenir un posible caos en el cielo se hanestablecido acuerdos internacionales sobre:

QUIEN puede hacer uso de las frecuencias.

CUALES son esas frecuencias.

• Las bandas de 3,7 a 4,2 Ghz y de 5,9 a 6,4 Ghz se handesignado como frecuencias de telecomunicación vía satélite.

• En la actualidad, esas bandas conocidas como las bandas 4/6Ghz se encuentran superpobladas.

• Las bandas superiores siguientes disponibles para latelecomunicación son las de 12/16 Ghz.




Espectro de Frecuencias de Satélite.

BANDA RANGO (Ghz)

L (Comunicac. Móviles) 1-2

S (Móviles/Reservada) 2-4

C (Comercial: PANAMSAT/ INTELSAT) 4-8

X (Reservada) 8-12

Ku (Comercial) 12-18

K (Radioenlaces/Microondas) 18-27

Ka 27-40

Milimétrica 40-300



REDES y COMUNICACIONES IMódulo : Comunicaciones SatelitalesTema : Estructura de un Satélite

5. ESTRUCTURA y FUNCIONAMIENTO DE UN SATELITE

5.1. Introducción

• Un Satélite puede ser considerado como un conjunto deSubsistemas:

El Subsistema de Antenas

El Subsistema de Comunicaciones

El Subsistema de Potencia Eléctrica

El Subsistema de Control Térmico

El Subsistema de Posicionamiento y Orientación

El Subsistema de Seguimiento, Telemetría y Telemando

El Subsistema de Estructura

5.2. Subsistema de Antenas

• Las antenas:

Reciben las señales de radiofrecuencia provenientes de lasestaciones terrenas y las transmiten de regreso a la Tierraconcentradas en una haz de potencia.




• En todo enlace satelital existen dos enlaces:

El enlace de subida (Uplink)

El enlace de bajada (Downlink)

• La frecuencia del enlace de subida difiere de la frecuencia delenlace de bajada para evitar la interferencia.

• Las antenas son:

El punto de E/S del satélite.

La interfase o etapa de transformación entre las señaleselectromagnéticas que viajan por el espacio y las señales quecirculan por los diferentes subsistemas del satélite.

• Adicionalmente a las antenas de comunicaciones tenemos lasantenas de telemetría y telemandos encargadas de:

Recibir señales con órdenes emitidas desde el centro decontrol en la Tierra para efectuar alguna correción a bordo.

Enviar señales al Centro de Control en la Tierra para quepueda conocer el estado general de funcionamiento.




5.3. Subsistema de Comunicaciones

SATELITE

Entrada PROCESO Salida

UPLINK DOWLINK

ESTACION TERRENA

• Procesos a su cargo:

Amplificación de Señales para que puedan ser recibidas a suregreso con buena calida.

Cambio de frecuencia del Uplink al Downlink




• Al conjunto de equipos comprendidos entre la salida de la antenareceptora y la entrada a la antena transmisora se la denominaTRANSPONDER.

• La señal que proviene de la Tierra puede contener muchoscanales de TV o de voz o de datos enviados a diferentesfrecuencias.

• Las antenas (de transmisión y recepción) manejan un ancho debanda muy grande, suficiente para operar las frecuenciasasignadas para la comunicación satelital.

• El ancho de banda típico de un satélite es de 500 Mhz:

Cuando se transmite un canal de Tv por satélite al modularloen frecuencia usualmente ocupa solo 36 Mhz.

Este ancho de banda se divide en espacios o segmentos cuyonúmero depende de la aplicación.

• Ej: El Ancho de Banda de una satélite que opera en la Banda C.

5965 6005 6405 (Frecuencia Central-Mhz)

1 2 ………… 12

Transponders




Cada segmento corresponde a las frecuencias de trabajo deltransponder.

Las frecuencias centrales que se indican son las que se usanpara transmitir de la tierra hacia el satélite.

La capacidad total del satélite en esta banda podría ser de 12canales.

• La antena receptora del satélite capta las frecuenciascorrespondientes a los doce (12) transponders.

Conclusión:

En un momento dado entran simultáneamente a la antenareceptora del satélite diferentes clases de señales.

• Para la antenas esto NO representa ningún problema

• Sin embargo, NO resulta fácil construir aparatos electrónicos dealta potencia que relicen sus funciones de amplificación demanera óptima con todas esas señales simultáneamente.




• Resulta necesario aislar las señales:

Para procesarlas y amplificarlas por separado, por esta razón sedivide el ancho de banda del satélite en transponders.

• El primer dispositivo electrónico que se encuentran las señalesrecibidas por la antena es un Amplificador de Bajo Ruido:

Todos los dispositivos electrónicos generan ruido que se sumaa las señales originales que entran a él para amplificación.

Si las señales de ruido son muy grandes al sumarse con laseñal original pueden alterar su contenido.

Resulta importante que el ruido generado por este primerdispositivo sea muy pequeño

Amplificador de Bajo Ruido

(LNA)

• Las estaciones terrestres receptoras tambien cuentan con unamplificador de bajo ruido por razones similares.

• El amplificador de bajo ruido tiene un ancho de banda de 500Mhz (muy grande), debe ser capaz de amplificarsimultáneamente todas las señales recibidas por la antena.

• Las señales pasan ahora a un Convertidor de Frecuencias quedesplaza las señales a frecuencias más bajas del espectro.



Amplificador de Convertidor Bajo Ruido de

(LNA) Frecuencias

• Para poder continuar procesando las señales es necesariosepararlas, la separación la realiza un Demultiplexor.

• A continuación:

Cada bloque pasa por una etapa muy fuerte de amplificaciónproporcionada por un Amplificador de Potencia.

Los bloques son reunidos en un solo conjunto de 500 Mhz através de un Multiplexor.




• El Multiplexor se encuentra conectado a la antena de transmisión.

Amplif. Convertidor de Bajo de Ruido Frec.

• Para que no ocurra ningún conflicto entre las señales que llegansimultáneamente al satélite se establece un ORDEN medianteuna técnica de ACCESO MULTIPLE de la cual existen tresvariantes:

Por división de frecuencia

Por división de Tiempo

Por división del Código




5.3.1. Acceso Múltiple por División de Frecuencia

• El ancho total de 500 Mhz de un satélite se divide entransponders y usualmente éstos tienen una Ancho de Banda de36 Mhz.

• El amplificador de cada transponder puede darle cabida a unagran diversidad de información.

• Una alternativa para que simultáneamente varias transmisionesocupen el mismo transponder es utilizar el esquema FDMA,Acceso Múltiple por División de Frecuencias.

• En FDMA:

El espectro del transponder se divide en secciones osegmentos de frecuencias.

La configuración es rígida e invariable, cada estación debetransmitir siempre con la misma portadora.

• Tiene sentido cuando se puede garantizar que durante la mayorparte del tiempo, se hará uso del ancho de banda asignado.

• Por esta razón en ocasiones se la denomina por División de Frecuencia con Asignación Fija.

• Qué sucede en el caso en el cual el tráfico generado en lospuntos que comparten el transponder es intermitente yesporádico ?




• Es necesario contar con una alternativa que brinde mayorflexibilidad, esa alternativa se denomina Acceso Múltiple porDivisión de Frecuencias con Asignación por Demanda oDAMA.

• La técnica DAMA:

Aprovecha los segmentos de frecuencia y la potencia delsatélite cuando el tráfico es esporádico.

Los segmentos se asignan únicamente durante el tiempo quese necesita para la comunicación.

• En esta técnica:

La frecuencia de la portadora transmitida puede cambiar en eltiempo, moviéndose en el espectro, la estación debe estardebidamente equipada para hacerlo.

• La ocupación de cualquier segmento vacío NO se hace de formaarbitraria, sino a través de una estación central que coordina lasfrecuencias disponibles.

• Cada vez que una estación terrestre desee iniciar una

Debe solicitar a la estación central la asignación de unaportadora.

La estación central debe comunicarse con el destino parainformarle que se le va a a transmitir y en qué frecuencia debesintonizarse para recibir la señal.




• Se puede dar el caso en el cual cada segmento tenga su propiafrecuencia portadora y su ancho de banda es ocupado por unsolo canal telefónico modulado, esta forma de transmisión sedenomina Canal Unico por Portadora SCPC (Single Channel perCarrier).

5.3.2. Acceso Múltiple por División en el Tiempo

• El Acceso Múltiple por División en el Tiempo o TDMA:

Técnica digital mediante la cual varias estaciones terrenasacceden u ocupan un transponder o parte de él.

• Un grupo de estaciones tienen asignados el mismo segmento concierto ancho de banda fijo que se comparte entre ellassecuencialmente en el tiempo.

• Cada estación tiene un tiempo T para transmitir en cadasegmento.

• El tiempo T asignado a cada estación no es necesariamente igualen todos los casos.

• Los tiempos asignados pueden ser fijos por estación, en cuyocaso se tiene Acceso Múltiple por División en el Tiempo con

, o pueden variar con el tiempo.




• En estas condiciones es preciso reorganizar la distribución de lostiempos con una nueva estructura de ciclo de transmisión:

Las estaciones con exceso de tráfico podrán utilizar segmentosde tiempo más grandes.

Las estaciones con poco tráfico recibirán segmentos máscortos.

• Un sistema TDMA es más complejo que uno FDMA y necesitauna buena coordinación entre las estaciones terrenas que lo usany una estación de referencia.

5.3.3. Acceso Múltiple por Diferenciación de Código

• En el Acceso Múltiple por diferenciación de Código o CDMA:

El transponder completo es ocupado por varias estaciones quetransmiten a la misma frecuencia y al mismo tiempo.

• Características:

La transmisión es completamente digital

Requiere de antenas terrestres receptoras y transmisoras muypequeñas.

Ocupa un gran ancho de banda, cada bit de información setransforma en un nuevo tren de bits muy largo, de acuerdo conun código determinado previamente.




• Cada estación transmisora utiliza una secuencia diferente de bitspara codificar cada uno de los bits de información.

• De las estaciones terrestres receptoras:

Solo la destinataria conoce el código con el que se transmitió

Solo ella es capaz de reconstruir el mensaje original aunquellegue superpuesto con los demás mensajes transmitidos queson detectados como ruido.

5.4. Subsistema de Potencia Eléctrica

• Todo satélite necesita un suministro de potencia eléctrica sininterrupción y sin variaciones significativas en los niveles devoltaje y corriente.

• El subsistema de potencia consiste de tres elementos:

Una fuente primaria Una fuente secundaria Un acondicionador.

• El ACONDICIONADOR:

Constituído por dispositivos y circuitos de protección que regulany distribuyen la electricidad con los niveles adecuados a cada unade las partes del satélite.

• La fuente primaria de energía se encuentra paneles de celdas solares.




5.5. Subsistema de Control Térmico

• Los diversos componentes del satélite requieren rangos distintosde temperatura para operar eficientemente.

• Resulta necesario mantener el equilibrio térmico del conjuntopara que dichos rangos se conserven.

• El satélite genera calor en su interior proveniente de:

Los amplificadores de Potencia

La energía que absorbe del Sol y de la Tierra

5.6. Subsistema de Posicionamiento y Orientación

• El objetivo de un satélite:

Recibir señales desde alguna parte de la Tierra

Retransmitirlas hacia otra a través de sus antenas.

• Es necesario mantener una cierta orientación de la estructura delsatélite con respecto a la superficie de la Tierra.

• Las fuerzas perturbadoras en el espacio no dejan de provocarcambios en la posición del satélite sobre su órbita y en suorientación con respecto de la superficie de la Tierra.

• Es necesario poder determinar en todo instante la posición delsatélite y cuál es su orientación.




• Para conocer la posición se requiere medir la distancia a la quese encuentra y la dirección o ángulo con respecto a algún puntode referencia sobre la Tierra (el centro de control).

• La distancia se mide:

Transmitiendo una señal piloto hacia el satélite, que ésteretransmite

La diferencia que se detecta en el centro de control entre lasfases de la señal transmitida y la recibida es un indicador de ladistancia.

• La medición del ángulo o la dirección en la que se halla se puedehacer por INTERFEROMETRIA, empleando dos estacionesseparadas y comparando las señales piloto recibidas por cadauna de ellas.

5.7. Sistema de Propulsión

• Se encarga de proporcionar incrementos de velocidad paracorregir la posición y orientación del satélite.

5.8. Subsistema de Seguimiento, Telemetría y Telemando

• Se encarga de intercambiar información con el control en Tierrapara mantener en operación el satélite.

5.9. Subsistema de Estructura

• Se encarga de alojar todos los equipos y darle la rigidez alconjunto.



REDES y COMUNICACIONES IMódulo : Comunicaciones SatelitalesTema : Estructura de una Estación

6. ESTRUCTURA y FUNCIONAMIENTO DE UNA ESTACIONTERRESTRE

6.1. Introducción

• Una estación terrestre:

Consta de una serie de equipos interconectados entre sí quepermiten la comunicación con el satélite desde la Tierra.

• Los bloques básicos que la componen son:

La Antena

El Seguimiento del Satélite

El Transmisor

El Receptor

El Suministro de Potencia



TRANSMISOR

Señales en Banda Base

Modulador Convertidor Amplificador Elevador de alto poder

ANTENA

RECEPTOR

Demodulador Convertidor Amplificador DUPLEXOR Reductor de bajo ruido

Motores de Movimiento

Señales enBanda Base

Señales de Error

SEGUIMIENTO

Receptor deSeguimiento

Señales de Comando

Servomecanismo Control de de la Antena Apuntamiento

de la Antena

ProgramaSistema de Alimentaciónde Potencia




6.2. La Antena

• Qué es una antena ?

Es un dispositivo para transmitir y recibir ondas de radio.

• El elemento más distintivo de una estación terrena es la AntenaParabólica.

• Una antena parabólica tiene las siguientes propiedades:

Refleja las señales que llegan a ella y las concentra como sifuera un lente en un punto llamado foco (Modo de Recepción)

Si las señales provienen del foco, las refleja y las concentra enun haz muy delgado de radiación (Modo de Transmisión).

• El foco de la antena coincide con el foco geométrico delparaboloide y en él se coloca el alimentador.

6.3. El Seguimiento del Satélite

• Existen fundamentalmente dos tipos de sistemas de seguimiento:

El preprogramado

El automático.

• El seguimiento preprogramado:

Consiste en determinar con anticipación los movimientos delsatélite y programar el mecanismo de orientación de la antenapara que lo siga.




• El Método automático de seguimiento por pasos:

A intervalos regulares, la antena detecta la intensidad de laseñal emitida por el satélite.

A continuación gira un poco (“da un paso”) y compara laintensidad de la señal recibida con la anterior.

Si el nivel de la señal baja, entonces se mueve ahora en ladirección opuesta, y si aumenta en ese sentido, continúa hastadetectar el nivel máximo.

6.4. El Transmisor

• El equipo transmisor consta de tres módulos que se muestran enel siguiente diagrama:

Modulador Convertidor Elevador Amplificador de Alta Potencia



TRANSMISORSeñales en Banda Base

Modulador Convertidor Amplificador Elevador de alto poder

ANTENA




6.4.1. Modulador

• Se encarga de:

Combinar la forma de onda de la señal original con la señalportadora

Modificar el ancho de banda de frecuencias y la posición de lainformación dentro del espectro la cual es transferida afrecuencias más altas.

6.4.2. Convertidor Elevador

• La frecuencia intermedia a la cual son llevadas las señales no esadecuada todavía para radiarla eficientemente a través de la

• Es necesario utilizar un equipo convertidor elevador defrecuencia.

• Se encarga de transferir la señal de la frecuencia intermedia (70Mhz, 140 Mhz o 1 Ghz) a un sitio más elevado del espectro (6Ghz o 14 Ghz).

• La señal tiene ahora la frecuencia apropiada para poder serradiada pero su nivel de potencia es muy bajo.




6.4.3. Amplificador de Alta Potencia

Se encarga de suministrar la potencia suficiente para que la señalpueda viajar desde la estación terrena hasta el satélite.

6.5. El Receptor

6.5.1. Generalidades

En el siguiente diagrama se ilustra la configuración básica delbloque de recepción:

ANTENA

RECEPTOR

Demodulador Convertidor Amplificador Reductor de bajo ruido

Señales enBanda Base




• La antena recibe simultáneamente todas las señalestransmistidas por el satélite.

• La estación, después de capturar y amplificar toda la informacióndebe separar sólo aquella parte que sea de su interés paraprocesarla.

• Las señales de interés para la estación terrestre nonecesariamente se encuentran contiguas en frecuencia, ocupanposiciones diferentes dentro del ancho de banda del satelite.

6.5.2. Amplificador de Bajo Ruido

• A su llegada, la señal tiene una intensidad muy baja y es muyvulnerable ante cualquier ruido que se le pueda añadir antes deser amplificada a un nivel aceptable.

• El amplificador de bajo ruido debe ser altamente sensible y elnivel de ruido que genere debe ser lo más bajo posible.

• La antena y el amplificador de bajo ruido son los elementos másimportantes de la estación terrena receptora, determinan lacalidad de su operación.




6.5.3. Conversión de Frecuencia, Demodulación y Calidad deRecepción

• Conectados en cadena al amplificador de bajo ruido tenemos:

Un convertidor reductor de frecuencias Un demodulador Filtros Intermedios

• El convertidor/reductor de frecuencias:

Tiene como función transferir toda esa información de 500 Mhz auna región más baja del espectro.

• El demodulador:

La señal que sale del convertidor reductor aún se encuentramodulada y el paso siguiente para recuperarla en su formaoriginal (banda base) es demodularla.

6.6. El Suministro de Potencia

• El tipo de servicio que una estación terrestre presta determina lacomplejidad y confiabilidad necesarias de su sistema desuministro de potencia.

• Las estaciones terrestres más importantes de una red decomunicaciones vía satélite tienen su propia

• La potencia que este sistema debe proporcionaer es muy grande,entre 50 y 100 KVA, de la cual aproximadamente un 80% esconsumida por los amplificadores de potencia.




7. ASPECTOS PRACTICOS DE LA COMUNICACIÓNSATELITAL

• Existe un retraso de 0.5 segundos en las comunicaciones ellopuede dar lugar a problemas con protocolos en tiempo real.

• Los satélites tienen una vida media de 7 a 10 años, pero, puedensufrir fallos que provocan su salida de servicio, es necesariocontar con alternativas.

• Las estaciones terrenas suelen estar lejos de los usuarios y amenudo se necesitan caros enlaces de alta velocidad.

• Las comunicaciones con los satélites pueden ser interceptadas(Factor de SEGURIDAD).

• Los satélites geoestacionarios pasan por períodos en los cualesNO funcionan a plena capacidad (eclipse de sol).

Apuntes de comunicaciones

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