ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL
FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y
ELECTRÓNICA
DISEÑO DE UN SISTEMA DE COMUNICACIONES EMERGENTE
ANTE DESASTRES NATURALES CON TECNOLOGÍA VSAT
TRABAJO DE TITULACIÓN PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE
INGENIERO EN ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES
FREDDY VINICIO SALTOS ESTRELLA
DIRECTOR: ING. RICARDO XAVIER LLUGSI CAÑAR MSc.
CODIRECTOR: ING. WILLIAMS FERNANDO FLORES CIFUENTES MSc.
Quito, agosto 2018
I
AVAL
Certificamos que el presente trabajo fue desarrollado por Freddy Vinicio Saltos Estrella,
bajo nuestra supervisión.
ING. RICARDO XAVIER LLUGSI CAÑAR MSc.
DIRECTOR DEL TRABAJO DE TITULACIÓN
ING. WILLIAMS FERNANDO FLORES CIFUENTES MSc.
CODIRECTOR DEL TRABAJO DE TITULACIÓN
II
DECLARACIÓN DE AUTORÍA
Yo Freddy Vinicio Saltos Estrella, declaro bajo juramento que el trabajo aquí descrito es de
mi autoría; que no ha sido previamente presentada para ningún grado o calificación
profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este
documento.
A través de la presente declaración cedo mis derechos de propiedad intelectual
correspondientes a este trabajo, a la Escuela Politécnica Nacional, según lo establecido
por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normatividad institucional
vigente.
FREDDY VINICIO SALTOS ESTRELLA
III
DEDICATORIA
Dedico mi proyecto de Titulación a mis padres Freddy y Catalina, a mis hermanas Valeria
y Andrea, pilares fundamentales en mi vida, por su incondicional apoyo he cumplido
cualquier meta o proyecto que he planteado durante mi formación profesional.
IV
AGRADECIMIENTO
Agradezco principalmente a mis padres, por brindarme su cariño, apoyo y paciencia en los
momentos de mayor necesidad, y por ser un claro ejemplo a seguir.
Al Ingeniero Ricardo Llugsi y al Ingeniero Fernando Flores, por su dirección y colaboración
con el desarrollo del presente proyecto.
A la empresa DIGITEC S.A., por todo el soporte técnico prestado para el desarrollo y
culminación del proyecto, especialmente al Ingeniero Mario Sánchez, quien con su
experiencia y formación ha sabido solventar mis inquietudes.
V
ÍNDICE DE CONTENIDO
AVAL ................................................................................................................................. I
DECLARACIÓN DE AUTORÍA ......................................................................................... II
DEDICATORIA .................................................................................................................III
AGRADECIMIENTO ........................................................................................................ IV
ÍNDICE DE CONTENIDO ................................................................................................. V
ÍNDICE DE FIGURAS .................................................................................................... VIII
ÍNDICE DE TABLAS ......................................................................................................... X
ÍNDICE DE ECUACIONES .............................................................................................. XI
RESUMEN ...................................................................................................................... XII
ABSTRACT ................................................................................................................... XIII
1. INTRODUCCIÓN ....................................................................................................... 1
1.1 Objetivos ............................................................................................................ 1
1.2 Alcance ............................................................................................................... 2
1.3 Marco Teórico ..................................................................................................... 2
1.3.1 Antecedentes............................................................................................... 3
1.3.2 Organismos de Gestión de Riesgos en el Ecuador ...................................... 6
1.3.3 Breve Introducción a los Sistemas de Comunicación Digital ........................ 8
1.3.4 Sistemas de Comunicaciones Emergentes .................................................20
1.3.5 Sistemas Satelitales ...................................................................................26
1.3.6 SkyEdge II – GILAT ....................................................................................44
1.3.7 Herramientas de dimensionamiento de Sistemas VSAT .............................54
1.3.8 Equipos de medición ..................................................................................54
1.3.9 Infraestructura de comunicaciones en plataformas móviles ........................55
2. METODOLOGÍA .......................................................................................................56
2.1 Cliente del sistema emergente...........................................................................56
2.2 Requerimientos .................................................................................................58
2.2.1 Requerimientos de Servicios ......................................................................58
2.2.2 Requerimientos de funcionamiento .............................................................59
VI
2.2.3 Requerimientos de Capacidad ....................................................................61
2.3 Diseño del Enlace Satelital (Link Budget) ..........................................................69
2.3.1 Solución 1 (Segmento de red desde cero) ..................................................69
2.3.2 Solución 2 (Adaptación a segmentos de red disponibles) ...........................78
2.4 Diseño del sistema emergente...........................................................................79
2.4.1 Estructura de anclaje a la camioneta ..........................................................80
2.4.2 Trípode de montaje de la antena ................................................................80
2.4.3 Antena, Feeder y estructura de sujeción .....................................................81
2.4.4 Caja de equipos ..........................................................................................81
2.4.5 Conexiones Eléctricas ................................................................................82
2.4.6 Conexiones de Radio Frecuencia y de Red ................................................83
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN .................................................................................85
3.1 Pruebas del Enlace Satelital ..............................................................................85
3.1.1 Pruebas Generales .....................................................................................86
3.1.2 Pruebas en el perfil 1 de tráfico (DL-MIR: 2048 kbps, UL-MIR: 1024 kbps) 92
3.1.3 Pruebas en el perfil 2 de tráfico (DL-MIR: 1024 kbps, UL-MIR: 512 kbps) ..94
3.1.4 Pruebas en el perfil 3 de tráfico (DL-MIR: 1024 kbps, UL-MIR: 512 kbps) ..97
3.2 Comparación de Resultados ............................................................................ 100
4. CONCLUSIONES ................................................................................................... 102
5. RECOMENDACIONES ........................................................................................... 105
6. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........................................................................ 106
7. ANEXOS................................................................................................................. 110
ANEXO I ........................................................................................................................ 111
ANEXO II ....................................................................................................................... 113
ANEXO III ...................................................................................................................... 114
ANEXO IV ...................................................................................................................... 117
ANEXO V ....................................................................................................................... 119
ANEXO VI ...................................................................................................................... 121
ANEXO VII ..................................................................................................................... 122
VII
ANEXO VIII .................................................................................................................... 125
ANEXO IX ...................................................................................................................... 133
ANEXO X ....................................................................................................................... 136
ANEXO XI ...................................................................................................................... 140
ANEXO XII ..................................................................................................................... 142
ANEXO XIII .................................................................................................................... 144
ORDEN DE EMPASTADO............................................................................................. 145
VIII
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1.1. Absorción medida en dB debido al oxígeno y al vapor de agua presentes en la
aaaaaaaaaatmosfera. ......................................................................................................14
Figura 1.2. Etapa de procesamiento de información del enlace de subida ......................30
Figura 1.3. Etapa procesamiento de información de un transpondedor satelital...............30
Figura 1.4. Etapa de procesamiento de información del enlace de bajada.......................30
Figura 1.5. Huella de PIRE de un satélite ........................................................................31
Figura 1.6. Ángulos de Elevación (El) y Azimut (Az) ........................................................32
Figura 1.7. Diagrama de bloques de estación hub ...........................................................41
Figura 1.8. Elementos de una estación remota ................................................................42
Figura 1.9. Protocolos TDM/TDMA y SCPC/DAMA..........................................................43
Figura 1.10. Diagrama de bloques del Hub SkyEdge II – Inbound ...................................51
Figura 1.11. Diagrama de bloques del Hub SkyEdge II – Outbound ................................52
Figura 1.12. Diagrama de bloques de la VSAT SkyEdge II ..............................................52
Figura 2.1. Conexión de Sistemas en plataforma tecnológica ECU 911 ..........................58
Figura 2.2. Definición de los perfiles de tráfico en la herramienta de Sizing .....................65
Figura 2.3. Detalle del hardware necesario para la implementación del sistema ..............67
Figura 2.4. Información geográfica de la estación VSAT en DIGITEC S.A. ......................72
Figura 2.5. Información geográfica del Hub en la Estación Terrena de CNT ....................72
Figura 2.6. Azimuth, elevación y distancia al satélite desde el terminal VSAT .................72
Figura 2.7. Azimuth, elevación y distancia al satélite desde la estación terrena ...............73
Figura 3.1. Diagrama de conexiones del equipo HST-3000. ............................................86
Figura 3.2. Cables de conexión en el Feeder. ..................................................................86
Figura 3.3. Cables de conexión en el terminal VSAT. ......................................................87
Figura 3.4. Leds de estado del terminal VSAT. ................................................................87
Figura 3.5. SkyManage - Sección y pestaña de estado ...................................................88
Figura 3.6. SkyManage – Sección de estado y pestaña de información ..........................89
Figura 3.7. SkyManage – Sección de estado y pestaña de telemetría .............................89
Figura 3.8. Comando “ipconfig” ejecutado en CMD – Windows 10 ..................................90
Figura 3.9. Prueba de ping al terminal VSAT ...................................................................90
Figura 3.10. Prueba de ping al DPS en el Hub. ................................................................91
Figura 3.11. Prueba de ping al router de borde en la Estación Terrena ...........................91
Figura 3.12. Comando ping continuo hacia el servidor DNS de Google ...........................91
Figura 3.13. Comando tracert hacia el servidor DNS de Google ......................................92
Figura 3.14. Primera medición de velocidad de carga, descarga y latencia para una VSAT
aaaaaaaaaaen el perfil de tráfico 1 ..................................................................................92
IX
Figura 3.15. Segunda medición de velocidad de carga, descarga y latencia para una VSAT
aaaaaaaaaaen el perfil de tráfico 1 ..................................................................................93
Figura 3.16. Pantalla con resultados de la prueba de descarga en el perfil de tráfico 1 ...93
Figura 3.17. Carga de archivo al servicio de almacenamiento en la nube Google Drive para
aaaaaaaaaael perfil de tráfico 1 .......................................................................................94
Figura 3.18. Pantalla con resultados de la prueba de carga en el perfil de tráfico 1 .........94
Figura 3.19. Primera medición de velocidad de carga, descarga y latencia para una VSAT
aaaaaaaaaaien el perfil de tráfico 2 .................................................................................95
Figura 3.20. Segunda medición de velocidad de carga, descarga y latencia para una VSAT
aaaaaaaaaaen el perfil de tráfico 2 ..................................................................................95
Figura 3.21. Pantalla con resultados de la prueba de descarga en el perfil de tráfico 2 ...96
Figura 3.22. Carga de archivo al servicio de almacenamiento en la nube Google Drive para
aaaaaaaaaael perfil de tráfico 2 .......................................................................................96
Figura 3.23. Pantalla con resultados de la prueba de carga en el perfil de tráfico 2 .........96
Figura 3.24. Primera medición de velocidad de carga, descarga y latencia para una VSAT
aaaaaaaaaaen el perfil de tráfico 3 ..................................................................................97
Figura 3.25. Segunda medición de velocidad de carga, descarga y latencia para una VSAT
aaaaaaaaaaen el perfil de tráfico 3 ..................................................................................97
Figura 3.26. Pantalla con resultados de la prueba de descarga en el perfil de tráfico 3 ...98
Figura 3.27. Carga de archivo al servicio de almacenamiento en la nube Google Drive para
aaaaaaaaaael perfil de tráfico 3 .......................................................................................98
Figura 3.28. Pantalla con resultados de la prueba de descarga en el perfil de tráfico 3 ...99
X
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1.1. Detalle de desastres en el Ecuador durante los últimos años........................... 5
Tabla 1.2. Sistemas de Comunicaciones para ejecución de procesos de Gestión de
aaaaaaaaaiRiesgos .......................................................................................................... 7
Tabla 1.3. Designación de bandas de frecuencia usadas en el campo del radar y radio
aaaaaaaaacomunicaciones espaciales ............................................................................12
Tabla 1.4. Principales tecnologías de los sistemas celulares ...........................................24
Tabla 1.5. Es/N0 requerido según el MODCOD y el tipo de trama para el Outbound .......46
Tabla 1.6. Es/N0 requerido según el MODCOD para Inbound ..........................................50
Tabla 2.1. Principales servicios en situaciones de emergencia ........................................59
Tabla 2.2. Requerimientos de capacidad del Outbound ...................................................66
Tabla 2.3. Requerimientos de capacidad del Inbound ......................................................66
Tabla 2.4. CIR y MIR para los perfiles de tráfico ..............................................................68
Tabla 2.5. Asignación de usuarios en perfiles de tráfico disponibles ................................69
Tabla 2.6. Parámetros usados para el cálculo del enlace – Solución 1 ............................70
Tabla 2.7. Parámetros actuales de funcionamiento – Solución 2 .....................................78
Tabla 3.1. Resultados de las pruebas de los perfiles de tráfico 1, 2 y 3 ...........................99
Tabla 3.2. Resultados Prácticos y Resultados Teóricos ................................................. 101
Tabla 3.3. Comparación Resultados Prácticos y Resultados Teóricos ........................... 101
XI
ÍNDICE DE ECUACIONES
Ecuación 1.1. Ruido Térmico ........................................................................................... 14
Ecuación 1.2. Densidad de Ruido .................................................................................... 15
Ecuación 1.3. Relación Señal a Ruido ............................................................................. 15
Ecuación 1.4. Factor de Ruido ......................................................................................... 15
Ecuación 1.5. Fórmula de Friiss ....................................................................................... 16
Ecuación 1.6. Cifra de Ruido ........................................................................................... 16
Ecuación 1.7. Temperatura Equivalente de Ruido ........................................................... 16
Ecuación 1.8. Relación Portadora a Ruido ....................................................................... 17
Ecuación 1.9. Relación de Portadora a Densidad de Ruido ............................................. 17
Ecuación 1.10. Energía de bit a densidad de ruido .......................................................... 18
Ecuación 1.11. Energía de símbolo a densidad de ruido ................................................. 18
Ecuación 1.12. Potencia Isotrópica Radia Equivalente .................................................... 18
Ecuación 1.13. Ganancia de una antena parabólica ........................................................ 19
Ecuación 1.14. Relación de Ganancia a Temperatura equivalente de Ruido ................... 19
Ecuación 1.15. Nivel de absorción atmosférica en función del ángulo de elevación ........ 33
Ecuación 1.16. Potencia de recepción en el enlace de subida ......................................... 35
Ecuación 1.17. Potencia de entrada a la antena en la estación terrena ........................... 36
Ecuación 1.18. C/N0 de recepción en el enlace de subida ............................................... 36
Ecuación 1.19. Pérdidas acumuladas en el enlace de subida .......................................... 37
Ecuación 1.20. Pérdidas por espacio libre ....................................................................... 37
Ecuación 1.21. C/N0 de recepción en el enlace de bajada ............................................... 37
Ecuación 1.22. Densidad de Flujo a la entrada del satélite .............................................. 38
Ecuación 1.23. Potencia de reserva de entrada para las portadoras ............................... 38
Ecuación 1.24. Potencia de reserva de salida para las portadoras .................................. 38
Ecuación 1.25. Aproximación al PIRE de salida del satélite ............................................. 39
Ecuación 1.26. Temperatura de ruido por lluvia en DL..................................................... 40
Ecuación 1.27. C/N0 total contando con la atenuación y ruido por lluvia .......................... 40
XII
RESUMEN
Debido a los problemas de comunicación existentes tras un desastre natural, se requiere
un sistema de telecomunicaciones robusto, de fácil implementación, móvil y multi-servicio,
por lo que el presente proyecto trata sobre el diseño de un sistema de comunicaciones
emergentes que permita el intercambio de información entre los organismos de respuesta.
En el primer capítulo se realiza un análisis sobre las amenazas en el Ecuador, los
principales organismos de respuesta tras una emergencia y los sistemas de
comunicaciones emergentes usados por dichos organismos. Adicionalmente se realiza una
comparación entre los sistemas emergentes disponibles, con la finalidad de establecer su
respuesta bajo condiciones poco favorables para la comunicación. Debido a los beneficios
que presentan los sistemas satelitales se incluye un estudio más detallado de dichos
sistemas.
En el segundo capítulo se definen los requisitos mínimos que debe cumplir el sistema de
comunicaciones emergentes, tomando en cuenta las necesidades actuales y futuras en
términos de servicios, cantidad de información y simultaneidad. En este capítulo se realiza
el diseño del enlace satelital y la plataforma que permitirá el transporte seguro de los
equipos hacia el sitio afectado.
En el tercer capítulo se realiza una implementación temporal del enlace satelital VSAT
(Very Small Aperture Terminal – Terminal de Apertura muy Pequeña) diseñado en el
capítulo anterior, con la finalidad de realizar pruebas de funcionamiento para los servicios
detallados en los requerimientos del sistema. Se procede a comparar los resultados
obtenidos tras realizar las pruebas con los resultados esperados de la etapa de diseño.
En el cuarto capítulo se presentan las conclusiones generadas por este estudio.
PALABRAS CLAVE: Comunicaciones Emergentes, Sistemas VSAT, Sistema Móvil.
XIII
ABSTRACT
Natural disaster cause communication problems, that make necessary a robust, easy to
implement, mobile and multi-service telecommunication system. Therefore, the present
project is about the design of an emergency communication system that allows the
exchange of information between response organizations.
The content of the first chapter is an analysis about the threats in Ecuador, the main
emergency response organizations and the emergency communications systems used by
these organizations. Also, there is a comparison between the available emergency systems,
with the purpose of establishing their response under unfavorable communication
conditions. Due to the benefits of satellite systems, a more detailed study of these systems
is included.
In the second chapter the minimal requirements that the emerging communication system
must meet are defined, considering the current and future needs in terms of services,
quantity of information and simultaneity. Also, the design of the satellite link and the platform
that will allow the safe transport of the equipment to the affected site will be carried out.
In the third chapter a temporary implementation of the VSAT satellite link, designed in the
previous chapter, is executed with the purpose of performing functionality tests for the
services detailed in the system requirements. The results from the tests will be compared
with the expected results from the design stage.
In the fourth chapter there are the conclusions of this project.
KEY WORDS: Emerging Communication, VSAT Systems, Mobile Systems.
1
1. INTRODUCCIÓN
Tras el terremoto del 16 de abril del 2016 se evidencio la ausencia de sistemas de
comunicaciones de emergencia que permitan una rápida y eficiente respuesta, por esta
razón se plantea el presente proyecto cuyo objetivo es diseñar un sistema de
comunicaciones que permita a los organismos de gestión de riesgos tener un conocimiento
del nivel de afectación global tras un evento adverso, y con esta información poder tomar
las mejores decisiones para disminuir al máximo las pérdidas tanto humanas como
materiales.
Debido a la posible afectación de los equipos de telecomunicaciones y al gran flujo de
información que se envía tras un evento adverso, puede existir una pérdida parcial o total
de las comunicaciones, lo cual afectará de forma directa el desempeño de los organismos
de respuesta. Por esta razón es necesario disponer de un sistema de comunicaciones
habilitado únicamente para dichos organismos, que permita mejorar la coordinación y
cumplimiento de las actividades por parte del personal en territorio.
1.1 Objetivos
El objetivo general de este Proyecto de Estudio Técnico es:
- Realizar el diseño de un sistema de comunicaciones emergentes basado en
sistemas satelitales con tecnología VSAT que permita la transmisión de información
en las primeras etapas de una emergencia causada por desastres naturales en el
Ecuador.
Los objetivos específicos de este Proyecto de Estudio Técnico son:
- Realizar un estudio sobre los sistemas de comunicación emergentes y los planes
de acción para recuperar la comunicación con las zonas afectadas en un desastre
natural a nivel Nacional.
- Analizar los sistemas satelitales VSAT, para conocer su arquitectura y
características técnicas; con esta información realizar el dimensionamiento de un
enlace satelital VSAT que cumpla con la función de enlace principal para la
comunicación entre el sitio afectado y la central de atención de emergencias.
- Realizar pruebas de conectividad de un enlace satelital VSAT establecido de forma
temporal en instalaciones definidas por la empresa DIGITEC S.A., comprobar la
correcta configuración y funcionamiento del terminal y realizar pruebas de servicio
para demostrar las capacidades reales del enlace.
- Comparar los resultados del diseño teórico con respecto a la implementación física.
2
- Desarrollar el diseño de la plataforma móvil que permitirá albergar y transportar los
equipos hacia el sitio afectado.
1.2 Alcance
El presente proyecto incluye el diseño, implementación temporal y pruebas de un enlace
satelital que cumpla las necesidades de comunicación de los organismos de gestión de
riesgos; así como el diseño de la plataforma móvil para el transporte de los equipos hacia
el sitio afectado.
1.3 Marco Teórico
Debido a la situación geográfica y a la gran cantidad de recursos naturales, se considera
al Ecuador como un país vulnerable contra desastres naturales y posibles catástrofes;
dichos eventos pueden afectar directamente a las personas y sus bienes tanto en el
instante de ocurrencia como en las etapas posteriores al evento. Es por esto que se
requiere un trabajo coordinado en y entre cada uno de los organismos públicos y privados
relacionados con la salud y la gestión de riesgos.
Siguiendo el planteamiento dado por la OPS (Organización Panamericana de la Salud) se
dice que un desastre es un evento adverso que genera cambios perjudiciales para las
personas, la economía, los sistemas sociales o el medio ambiente, el origen de dicho
evento puede ser natural, derivado de actividades humanas o mixto, y como resultado se
supera la capacidad de respuesta de la comunidad afectada. Se define igualmente el
término emergencia, cuya única diferencia con un desastre corresponde a las acciones de
respuesta, que en este caso si pueden ser manejadas de forma local [1].
En un desastre se presentan tres etapas en las que resulta de vital importancia la
comunicación [2]:
- Etapa de prevención: En esta etapa se requieren sistemas de telecomunicaciones
que operen 24 horas los 365 días de año, ya que son las encargadas de monitorear
e informar sobre posibles amenazas.
- Etapa de respuesta y rescate: Dependiendo el nivel de afectación producida por un
desastre se tendrán diferentes requerimientos y por lo tanto se podrán usar varios
sistemas de telecomunicaciones. Es necesario asegurar la interoperabilidad con los
sistemas ya existentes con la finalidad de apresurar el proceso de rescate.
- Etapa de recuperación: Se busca reestablecer los servicios que se vieron
interrumpidos por la emergencia y mantener los sistemas de prevención. Es
necesario realizar un análisis del nivel de afectación.
3
Se debe tomar en cuenta la relación directa existente entre el nivel de afectación que puede
producir un desastre y el tiempo de respuesta por parte de los organismos de gestión de
riesgos, con la finalidad de asegurar una respuesta inmediata y la toma de la mejor decisión
ante un evento adverso; por esta razón resulta necesario que las entidades relacionadas
cuenten con información confiable en el menor tiempo posible.
Resulta innegable el nivel de importancia de los sistemas de telecomunicaciones antes,
durante y después de algún evento adverso que pueda generar daños a nivel local (dentro
de una ciudad), provincial o nacional; sin embargo, no todos los sistemas de
telecomunicaciones disponibles actualmente en el país pueden soportar los posibles daños
que pueden generarse, debido a esto es necesario proveer un sistema de
telecomunicaciones que cumpla con ciertos requisitos de funcionamiento en condiciones
poco favorables.
Cuando un evento de desastre golpea, la infraestructura de telecomunicaciones
generalmente se ve afectada debido a los daños producidos en los equipos que la
conforman, el excesivo incremento de tráfico y la posible interferencia externa, limitando
de forma severa la habilidad de comunicación del personal de respuesta ante emergencias
y desastres. Por lo tanto, será necesario dar un trato preferencial al tráfico correspondiente
a los ETS (Emergency Telecommunications Services - Servicios de Telecomunicaciones
de Emergencia) sobre las redes que queden disponibles [3].
Inmediatamente tras una emergencia o desastre es necesario hacer uso de los recursos
públicos como son la RTPC (Red Telefónica Pública Conmutada), RDSI (Red Digital de
Servicios Integrados), PLMN (Public Land Mobile Network – Red Móvil Terrestre Pública),
entre otros; evitando de esta manera retrasar las actividades de los equipos de respuesta.
Sin embargo, conforme las operaciones de emergencia se ponen en marcha, capacidades
suplementarias pueden también ser un gran beneficio, particularmente cuando los recursos
públicos de telecomunicaciones sufren saturación y por lo tanto su uso ese vuelve limitado.
Por esta razón, es deseable disponer de infraestructura de telecomunicaciones que pueda
fácilmente ser integrada con instalaciones móviles y redistribuibles. El principal objetivo de
la infraestructura que pueda desplegarse en respuesta a un evento adverso es dar
continuidad a los principales servicios de comunicación necesarios para las operaciones
de respuesta [2].
1.3.1 Antecedentes
Debido a la situación geográfica, el Ecuador es considerado un país de alto riesgo ante
eventos naturales adversos, por lo que es necesario presentar una breve descripción de
4
dichas amenazas, con la finalidad de considerarlas en el diseño del sistema de
comunicaciones emergentes.
1.3.1.1 Amenazas y Desastres en el País
“Se define a la amenaza como el factor externo de riesgo, representado por la posibilidad
de que ocurra un fenómeno o un evento adverso que podría generar daño en las personas
o su entorno, derivado de la naturaleza, de la actividad humana o de una combinación de
ambos, y que puede manifestarse en un momento y un lugar específicos con una magnitud
determinada.” [1].
En otras palabras, las amenazas naturales son la posibilidad de ocurrencia de un evento
adverso que no requieren de la actividad humana y que genera una situación de
emergencia o desastre. Las principales amenazas que pueden afectar al Ecuador son las
siguientes:
1.3.1.1.1 Sismos
Los sismos se pueden definir como las sacudidas de la superficie de la tierra, producidas
por una súbita liberación de energía acumulada debido a una deformación de la corteza
terrestre. Esta energía se propaga en forma de ondas alrededor de un punto central
conocido como foco, pudiendo llegar a afectar a las zonas aledañas [1].
1.3.1.1.2 Tsunamis
Los tsunamis son definidos como una serie de olas marinas de magnitud variable y mayor
a las generadas normalmente por el viento, dichas olas son capaces de propagarse a
través de miles de kilómetros. Son generados de forma repentina debido al desplazamiento
de grandes masas de agua como consecuencia de terremotos, erupciones volcánicas u
otros eventos que impliquen una súbita liberación de energía cerca de las costas marinas
[1].
1.3.1.1.3 Erupciones Volcánicas
Las erupciones volcánicas son caracterizadas por la emisión de forma violenta de magma,
ceniza y gases hacia la superficie de la tierra desde el interior de un volcán. Esta emisión
de diferentes materiales puede generar varios eventos adversos (lluvia de ceniza, flujo
piroclástico, flujo de lodo, ríos de lava y presencia de gases tóxicos) dependiendo de las
condiciones geográficas del volcán y sus alrededores [1].
1.3.1.1.4 Deslizamientos
Los deslizamientos corresponden al movimiento descendente de materiales como tierra,
agua, lodo, rocas u otros materiales que se encuentran a su paso. Pueden generarse
5
debido a cambios en la estructura y composición del suelo y la vegetación, y a cambios
hidrológicos de la zona; dichos cambios pueden ocurrir de forma natural ya sea por la
propia degradación de la zona o como resultado de la ocurrencia de algún otro evento
(incremento de las lluvias, aumento en el nivel de los ríos, excesiva acumulación de peso)
e igualmente puede deberse a las acciones del hombre sobre el terreno (deforestación,
manejo inadecuado de corrientes de agua, excavaciones) [1].
1.3.1.1.5 Inundaciones
Es el fenómeno caracterizado por mantener determinadas zonas bajo una gran cantidad
de agua, puede producirse debido a la presencia de lluvias intensas, aumento en el nivel
del mar o de ríos, ruptura súbita de presas, derretimiento de nieve en grandes volúmenes
o por la presencia de otros fenómenos que afecten a los sistemas de drenaje en
determinadas zonas [1].
1.3.1.2 Desastres en el País
Dado el elevado riesgo bajo el cual se encuentra nuestro país, a lo largo el tiempo han
existido varios desastres naturales que han afectado de forma significativa tanto a las
personas como a la infraestructura de varios servicios. A continuación, se muestra una
tabla detallando los principales desastres que han ocurrido en los últimos años.
Tabla 1.1. Detalle de desastres en el Ecuador durante los últimos años [4], [5], [6]
AÑO EVENTO AFECTACIÓN
1982 Fenómeno del Niño 7 000 personas afectadas, 307 personas fallecidas, daño en las vías cercanas y daños estimados en USD 640 millones.
1987 Terremoto de magnitud 6.9 en la escala de Richter
150 000 personas afectadas, 1000 personas fallecidas, 60 000 viviendas afectadas y daños estimados en USD 1 000 millones.
1993 Deslizamiento en Cuenca, en la represa “La Josefina”
75 000 personas afectadas, 700 viviendas destruidas y daños estimados en USD 500 millones.
1997-1998
Inundación durante el fenómeno del niño.
35 000 personas afectadas, 5 000 viviendas destruidas, 3 312 Km de vías afectadas y daños de estimados de USD 271 millones.
1998 Terremoto de magnitud 7.1 en la escala de Richter en Manabí
1 240 personas afectadas, 3 personas fallecidas, 605 casas dañadas y 274 casas destruidas.
2001 Deslizamiento en vías, Papallacta
633 personas afectadas, 42 personas fallecidas, 332 viviendas destruidas y pérdidas por USD 17 millones.
6
2002 Erupción volcán Reventador 40 000 hectáreas de pastizales y 700 cabezas de ganado afectados, daños en varias vías cercanas, pérdidas de alrededor de USD 300 000 en florícolas, no hubo afectación directa a las personas debido a la exitosa evacuación.
2003 Erupción volcán Tungurahua
7 000 personas afectadas, daños en varias vías cercanas, pérdidas por USD 2 390 000 en el sector agropecuario.
2006 Erupción volcán Tungurahua
50 000 hectáreas de sembríos y pastizales afectados, 15 000 hectáreas de cultivos destruidas, 100 000 personas afectadas.
2008 Inundaciones entre enero y abril
90 297 familias afectadas, 57 personas fallecidas, daños en varias vías cercanas.
2016 Terremoto de magnitud 7.8 en la escala de Richter en Manabí
6 274 personas afectadas, 663 personas fallecidas, daño en vías y edificaciones en varias provincias y costo de reconstrucción aproximado de USD 3 343.8 millones.
1.3.2 Organismos de Gestión de Riesgos en el Ecuador
Los organismos de gestión de riesgos tienen como objetivo la prevención, mitigación,
preparación, respuesta y reducción del riesgo. Para cumplir con los objetivos planteados
por estos organismos es necesario un trabajo cooperativo interinstitucional e intersectorial,
en donde la correcta coordinación es un factor primordial, especialmente en situaciones de
emergencia [1].
1.3.2.1 Secretaría de Gestión de Riesgos (SGR)
La SGR tuvo su origen en abril del 2008 como una entidad técnica y posteriormente en el
2009 fue elevada a entidad nacional para encargarse de la gestión de riesgos en todo el
país, su misión es garantizar la protección de personas y colectividades de los efectos
negativos de desastres de origen natural o antrópico. Para cumplir con su misión la SGR
debe realizar una serie de actividades entre las que se encuentran [7]:
- Desarrollo de proyectos para prevenir los efectos negativos que se pueden generar
tras una emergencia o desastre.
- Monitoreo de eventos adversos.
- Coordinación de estudios técnicos para la identificación de riesgos.
- Coordinación de acciones en situaciones de desastre.
1.3.2.2 Direcciones o Coordinaciones de Gestión de Riesgos
A nivel nacional varias entidades relacionadas con la salud incluyen departamentos
específicos para el cumplimiento de las actividades de gestión de riesgos, desde el
monitoreo hasta la respuesta, lo que permite que cada entidad puede manejar sus
7
procesos de forma autónoma e implementar mejoras para la respuesta ante cualquier
evento adverso.
En esta categoría se incluyen la Coordinación Nacional de Gestión del Riesgo de
Emergencias y Desastres del Instituto Ecuatoriano de Seguridad Social y la Dirección
Nacional de Gestión de Riesgos del Ministerio de Salud Pública.
1.3.2.3 Otros Organismos de Soporte y Respuesta
Son organismos que proporcionan información necesaria para el monitoreo y seguimiento
de los eventos adversos y pueden participar durante la respuesta ante emergencias y
desastres [8].
- Policía Nacional.
- Cuerpo de Bomberos.
- Cruz Roja Ecuatoriana.
- Ministerio de Transporte y Obras Públicas.
- Instituto Nacional de Meteorología e Hidrología (INAMHI).
- Instituto Geofísico EPN (IG-EPN).
- Instituto Oceanográfico de la Armada.
- Servicio Integrado de Seguridad ECU 911.
1.3.2.4 Comunicaciones en situaciones de desastre
Los sistemas de telecomunicaciones son muy útiles durante todos los procesos ejecutados
por los organismos de gestión de riesgos, dichos organismos realizan 2 procesos
generales:
Tabla 1.2. Sistemas de Comunicaciones para ejecución de procesos de Gestión de Riesgos [2]
Proceso Descripción Sistemas de Comunicación
Reducción y Prevención
Durante esta etapa los organismos de gestión de riesgos se encargan del monitoreo, a través de la recolección y análisis de la información proporcionada por diversos sistemas a nivel nacional e internacional; es importante recalcar el soporte que brindan los institutos técnico-científicos para la recolección y análisis de información crítica para la toma de decisiones.
- Comunicación a través de internet.
- Comunicación a través de telefonía celular.
- Comunicación a través de telefonía fija.
- Comunicación a través de sistemas de radio de 2 vías.
- Comunicación a través de sistemas satelitales.
- Uso de redes de sensores para la recolección de la información.
8
Respuesta y Rescate
Durante esta etapa, los organismos de gestión de riesgos en conjunto con otros organismos de respuesta realizan actividades en territorio, ejecutando operaciones de rescate que reduzcan al máximo las posibles pérdidas humanas y materiales. Para la coordinación de actividades es necesario la clasificación de la emergencia por parte de la autoridad competente; en base a la clasificación dispuesta se definirán las necesidades y prioridades de comunicación. Es importante considerar que en esta etapa se tienen condiciones de trabajo poco favorables.
- Comunicación a través de sistemas de radio de 2 vías.
- Comunicación a través de telefonía celular.
- Comunicación a través de sistemas satelitales.
1.3.3 Breve Introducción a los Sistemas de Comunicación Digital
Según la Ley Orgánica de Telecomunicaciones (LOT) “Se entiende por telecomunicaciones
toda transmisión, emisión o recepción de signos, señales, textos, video, imágenes, sonidos
o informaciones de cualquier naturaleza por sistemas alámbricos, ópticos o inalámbricos,
inventados o por inventarse” [9]. Es decir que las telecomunicaciones incluyen cualquier
método usado para el intercambio de información entre el origen o transmisor y el destino
o receptor.
Para el intercambio de dicha información se emplean diversos sistemas de
telecomunicaciones, los mismos que modifican las señales a ser transmitidas con la
finalidad de optimizar el envío y recepción de la información. A continuación, se definen
algunos parámetros básicos que serán usados en el presente estudio para la evaluación y
comparación de los sistemas de comunicaciones.
1.3.3.1 Codificación
La codificación es un proceso que se efectúa sobre la señal de información previo a su
envío a través del medio de transmisión, existen tres tipos de codificaciones usada en los
sistemas de comunicaciones: codificación de línea, codificación de fuente y codificación de
canal [10]. Siendo de vital importancia para el presente estudio la codificación de canal.
Codificación de Canal
La codificación de canal permite la detección y corrección de los errores (y por ende la
reducción de la tasa de errores) producidos en el canal de comunicación, dichos errores
pueden ser producidos por efectos negativos en el canal como la interferencia, distorsión
y el ruido. La reducción de la tasa de errores en un determinado sistema puede lograrse a
través de la implementación de cualquiera de las siguientes dos técnicas principales [11]:
9
ARQ (Automatic Repeat reQuest - Requisición de repetición automática): Este método
permite únicamente la detección de errores y la solicitud del reenvío del bloque de
información errado. Para la detección el transmisor añade bits de paridad a un bloque de
información, una vez que se recibe el bloque de información, el receptor calcula
nuevamente la paridad y la compara con los bits añadidos por el transmisor, si no existe
diferencia de paridad se envía un ACK (Acknowledgement - Acuse de Recibo) o caso
contrario envía un NAK (Negative Acknowledgement - Solicitud de Retransmisión). Existen
3 tipos de ARQ [11]:
- ARQ Stop-and-Wait: El transmisor envía el bloque de información y queda a la
espera de la respuesta por parte del receptor, es decir que el transmisor no envía
más información hasta recibir la confirmación o la solicitud de reenvío.
- ARQ Go-Back-N: El transmisor envía N bloques de información con sus
respectivos identificadores, el receptor envía los ACK o NAK para cada bloque de
información. En caso de recibir un NAK, el transmisor detiene el envío de nueva
información y transmite nuevamente desde el bloque con errores.
- ARQ Selective-Repeat: Mantiene un funcionamiento similar al ARQ Go-Back-N;
sin embargo, únicamente se retransmite los bloques de información erróneos.
FEC (Forward Error Correction - Corrección adelantada de errores): Este método
permite que el receptor detecte y corrija los errores, para esto el transmisor adiciona bits
redundantes a los bloques de información (bloque de k bits), el aumento de dichos bits
genera un incremento en el ancho de banda debido a la necesidad de transmitir un mayor
número de bits en un determinado tiempo. Se pueden clasificar estos códigos en 2
categorías [11]:
- Códigos de Bloque: El codificador recibe un bloque de k bits y lo transforma en un
bloque de n bits, donde n>k, es decir que aumenta un total de n-k bits redundantes
al bloque de información. Los codificadores de bloque son considerados
dispositivos sin memoria, ya que los n bits de salida dependen únicamente de los k
bits de entrada.
- Códigos Convolucionales: Estos codificadores son considerados dispositivos con
memoria, ya que los n bits de salida, dependen de los k bits de entrada y de v bits
provenientes de bloques anteriores.
En las 2 técnicas, se aumentan bits redundantes que permitan identificar los errores, debido
a esto es necesario considerar que la velocidad de transmisión no será numéricamente
igual a la velocidad de la información. Mientras mayor sea el número de bits redundantes
10
añadidos por el codificador, más efectivo será el control de errores. La selección de método
se realizará en función de las necesidades del sistema; sin embargo, en sistemas de larga
distancia se prefiere implementar FEC.
1.3.3.2 Modulación
La modulación se define como la variación proporcional de uno o varios parámetros de una
señal conocida como portadora, en función de otra señal conocida como modulante o señal
de información, dando como resultado la señal modulada. La modulación es usada en los
sistemas inalámbricos, debido a la dificultad que implica la transmisión de señales en
banda base (señales sin modular).
La modulación es usada tanto en sistemas analógicos como digitales, y en función del
parámetro que se modifica de la portadora se definen los diferentes esquemas de
modulación. Con una señal de información digital puede definirse el número de estados de
modulación con los que se trabajara, este número se calcula con la expresión ! = 2",
donde M es el número de estados y m es el número de bits por estado. El trabajar con
modulación de múltiples estados permite disminuir el ancho de banda de una señal en un
factor de 1/m; sin embargo, a mayor número de estados se dificulta notablemente el
proceso de discriminación de los mismos, por lo que puede existir un incremento en la tasa
de bits errados. A continuación, se describen las modulaciones digitales consideradas en
el presente estudio [12]:
- ASK (Amplitude Shift Keying - Modulación de Amplitud): La amplitud de la
portadora varía de acuerdo a la señal modulante, es decir que cada estado tendrá
una máxima amplitud diferente, lo que permitirá distinguir el estado y por lo tanto la
información contenida.
- PSK (Phase Shift Keying - Modulación de Fase): Es una modulación del tipo
angular, en la que se mantiene constante la amplitud y la información se transporta
en estados de fase. Esta modulación es muy usada debido a su buen desempeño
contra errores, una de sus aplicaciones principales corresponde a la radio digital.
Las modulaciones de fase de múltiples estados más comunes son: 2-PSK, 4-PSK
(Q-PSK), 8-PSK Y 16-PSK.
- QAM (Quadrature Amplitude Modulation - Modulación de Amplitud en
Cuadratura): Esta modulación varía la amplitud y la fase de la portadora, logrando
disminuir la tasa de error con respecto a otras modulaciones para un mismo nivel
de ruido, especialmente al tratarse de modulaciones multinivel de orden alto. Los
estados de modulación en el diagrama de constelación de QAM están dispuestos
uniformemente sobre una rejilla cuadrada con igual separación vertical y horizontal.
11
- APSK (Amplitude Phase Shift Keying - Modulación por desplazamiento de
Amplitud y Fase): Esta modulación es similar a QAM, ya que varía la amplitud y
fase de la portadora. Sin embargo, la principal diferencia corresponde a la
distribución de los estados de modulación en circunferencias concéntricas en el
diagrama de constelación.
1.3.3.3 Multiplexación y Acceso Múltiple
Se define a la multiplexación como la transmisión de información de varias fuentes a varios
destinos a través de un solo medio de transmisión, para lo cual un multiplexor se encarga
de realizar la combinación de la información proveniente de varias fuentes y un
demultiplexor se encarga de separar dicha información para su recepción. Se consideran
4 métodos de multiplexación principales y predominantes [13]:
- TDM (Time Division Multiplexing - Multiplexación por División de Tiempo): La
información de varias fuentes se intercala en el dominio del tiempo; es decir que,
durante un intervalo de tiempo, todo el canal de comunicaciones podrá ser usado
por una determinada fuente de información.
- FDM (Frequency Division Multiplexing - Multiplexación por División de
Frecuencias): La información de cada fuente es asignada a una banda distinta de
frecuencias y transmitida de forma simultánea, es decir que se divide al ancho de
banda del canal en sub-bandas de tal forma que cada fuente de información pueda
usar una sub-banda diferente a lo largo del tiempo.
- WDM (Wavelength Division Multiplexing - Multiplexación por División de
Longitud de Onda): Su funcionamiento es similar a FDM, sin embargo, la
información es enviada a través de señales ópticas, donde cada señal utiliza una
longitud de onda diferente, evitando la interferencia entre diferentes señales.
- CDM (Code Division Multiplexing – Multiplexación por División de Código): La
información es codificada mediante una secuencia pseudo aleatoria, la misma que
permite extender la señal sobre el ancho de banda (espectro disperso), logrando
incrementar su tolerancia ante la interferencia y permitiendo que varias señales
sean transmitidas sobre la misma banda de frecuencias y al mismo tiempo.
El acceso múltiple permite que varias fuentes tengan acceso a uno o más canales de
información dentro de un medio de transmisión sin que exista interferencia, para lo cual se
requiere dividir al canal de comunicaciones en sub-canales que serán asignados en función
de las políticas definidas para el sistema.
12
Los arreglos de acceso múltiple más comunes son: TDMA (Time Division Multiple Access
– Acceso Múltiple por División de Tiempo), FDMA (Frequency Division Multiple Access –
Acceso Múltiple por División de Frecuencia) y CDMA (Code Division Multiple Access –
Acceso Múltiple por División de Código). Estos emplean técnicas similares a las utilizadas
para la multiplexación, es decir que se divide al canal de comunicaciones en varios sub-
canales (de tiempo, frecuencia o código) para el envío de la información, la asignación de
los sub-canales dependerá del protocolo a ser implementado en el sistema.
1.3.3.4 Espectro Electromagnético
Se define al espectro electromagnético como el conjunto de energías radiantes ordenadas
por su frecuencia o longitud de onda [11]. La designación de bandas del espectro
electromagnético puede variar en función del organismo que la genera; sin embargo, para
el presente estudio se tomara la designación realizada por la UIT (Unión Internacional de
Telecomunicaciones) en su recomendación UIT-R V.431-8, en la Tabla 1.3 se presenta la
designación de las bandas de frecuencia usadas comúnmente en radiocomunicaciones
espaciales.
Tabla 1.3. Designación de bandas de frecuencia usadas en el campo del radar y radio comunicaciones espaciales [14]
Símbolo Literal Designación Nominal Rango de Frecuencias
L Banda de 1.5 GHz 1-2 GHz
S Banda de 2.5 GHz 2-4 GHz
C Banda de 4/6 GHz 4-8 GHz
X - 8-12 GHz
Ku Banda de 11/14 GHz
Banda de 12/14 GHz 12-18 GHz
K Banda de 20 GHz 18-27 GHz
Ka Banda de 30 GHz 27-40 GHz
V Banda de 40 GHz -
13
1.3.3.5 Propagación de Ondas Electromagnéticas
Para los sistemas de comunicación inalámbricos es necesario analizar las características
de propagación de las ondas electromagnéticas por el espacio libre1, estas características
son dependientes de la frecuencia de operación, altitud, condiciones climáticas, niveles de
ionización y otros factores atmosféricos que pueden degradar la señal y producir cambios
en la dirección de propagación de la misma [15].
En la propagación por medios inalámbricos existen 2 efectos negativos que degradan el
nivel de potencia de la señal que llega al receptor, estos son la atenuación y la absorción
[13]:
- Atenuación: Se lo expresa matemáticamente por la ley del cuadrado inverso de la
radiación, en la que se describe la reducción de la densidad de potencia con
respecto al incremento de la distancia a la fuente, esto se debe a la dispersión del
campo electromagnético que irradia la misma, es decir que no se pierde o disipa
nada de la potencia irradiada ya que esta únicamente se dispersa. La atenuación
afecta la propagación en el vacío y en la atmosfera terrestre.
- Absorción: La absorción afecta a la propagación en la atmosfera terrestre, debido
a que esta se encuentra formada por átomos y moléculas de diversas sustancias
gaseosas, líquidas y sólidas. Al propagarse una onda electromagnética a través de
la atmosfera, es posible que parte de su energía sea absorbida por los átomos y
moléculas, generando una pérdida en la potencia de la onda que llega al receptor.
La absorción atmosférica en condiciones normales depende de la frecuencia de
operación y es insignificante para frecuencias bajo los 10 GHz [15]; para
frecuencias mayores existe un incremento no lineal del nivel de absorción, como se
puede observar en la Figura 1.1. Es importa recalcar que la atenuación que sufre
una onda que se propaga por la atmosfera en condiciones normales, será igual en
el primer y el último kilómetro del trayecto; sin embargo, la presencia de condiciones
atmosféricas anormales como lluvia o neblina en el trayecto podrá incrementar
notablemente la atenuación que sufrirá la onda.
1 Aunque al hablar del espacio libre se refiere al vacío, con frecuencia la propagación por la atmosfera terrestre es también conocida como propagación por el espacio libre.
14
Figura 1.1. Absorción medida en dB debido al oxígeno y al vapor de agua presentes en la atmosfera [15]
1.3.3.6 Parámetros Principales
En el análisis del funcionamiento, rendimiento y diseño de los sistemas de comunicaciones
se requieren de algunos parámetros que permitan la evaluación de los mismos. Por
facilidad se representarán a las variables logarítmicas (decibeles) con un subíndice para
diferenciarlas de las variables no logarítmicas (por ejemplo: N y NdB). A continuación, se
detallan los parámetros principales que serán usados en este estudio:
Potencia de Ruido (N) y Densidad de Ruido (N0): La potencia de ruido eléctrico en un
determinado ancho de banda se define en base a la siguiente ecuación [13], la cual
relaciona el ruido térmico, el ancho de banda de ruido2 y la temperatura equivalente de
ruido.
# = $ % &' % ()'
Ecuación 1.1. Ruido Térmico
Donde:
- N = Potencia de ruido [W].
- K = Constante de proporcionalidad de Boltzmann= 1.38 % 10*+, [J/K].
2 El ancho de banda de ruido (ABe) es siempre mayor que el ancho de banda en los puntos de media potencia (AB) y se puede usar como regla que ABe=1.12*AB [15].
15
- Te = Temperatura equivalente de ruido en grados Kelvin [K].
- ABe = Ancho de banda de ruido [Hz].
La densidad de ruido se define como la potencia de ruido normalizada a un ancho de banda
de 1 Hz y para su cálculo se emplea la siguiente ecuación [13]:
#- = $ % &' = #()'
Ecuación 1.2. Densidad de Ruido
Donde:
- N0 = Densidad de Ruido [W/Hz].
Relación Señal a Ruido (SNR): Se define como el cociente del valor de la potencia de la
señal entre la potencia del ruido. Este parámetro permite establecer la máxima velocidad
de transmisión manteniendo un determinado nivel de BER (Bit Error Rate – Tasa de Bits
Errados) y se calcula mediante la siguiente ecuación [13].
/#4 = /#
Ecuación 1.3. Relación Señal a Ruido
Donde:
- SNR = Relación Señal a Ruido [Adimensional].
- S = Potencia de la señal [W].
Factor de Ruido (F): Se define como una “cifra de mérito” que permite indicar cuanto se
deteriora la SNR cuando una señal pasa por un circuito o una serie de circuitos. Se calcula
mediante el cociente de la relación señal a ruido a la entrada y la relación señal a ruido a
la salida de los circuitos que componen el sistema de comunicaciones [13].
5 = /#467/#49:; Ecuación 1.4. Factor de Ruido
Donde:
- F = Factor de ruido [Adimensional].
- SNRin = Relación Señal a Ruido a la entrada [Adimensional].
- SNRout = Relación Señal a Ruido a la salida [Adimensional].
16
El factor de ruido de un circuito compuesto por varias etapas de amplificación en cascada
se acumula de acuerdo a la siguiente ecuación conocida como la fórmula de Friiss [13]:
5< = 51 > 52 ? 1(1 > 53 ? 1(1 % (2 >@> 5A ? 1(1 % (2 % �% (A
Ecuación 1.5. Fórmula de Friiss
Donde:
- FT = Factor de ruido total [Adimensional].
- F(1…n) = Factor de ruido enésimo [Adimensional].
- A[1…n] = Ganancia de potencia del amplificador enésimo [Adimensional].
Cifra de Ruido (NF): La cifra de ruido o figura de ruido, corresponde al Factor de Ruido
expresado en dB, este parámetro es usado para indicar la calidad de un receptor y se
calcula mediante la siguiente ecuación [13].
#5BC = 10 % logD- E /#467/#49:;F Ecuación 1.6. Cifra de Ruido
Donde:
- NFdB = Cifra de Ruido [dB].
Temperatura Equivalente de Ruido (Te): Se define como un valor hipotético que se usa
en vez del factor de ruido e indica la reducción en la SNR que sufre una señal al propagarse
a través del receptor. Este parámetro no puede ser medido de forma directa y por lo tanto
es necesario calcularlo tomando una temperatura de referencia y el factor de ruido definido
anteriormente, mediante la siguiente ecuación [13].
&' = &G % H5 ? 1I = #-$
Ecuación 1.7. Temperatura Equivalente de Ruido
Donde:
- To = Temperatura de referencia en grados Kelvin [K] = 290 [K].
La temperatura equivalente de ruido considera la potencia del ruido a la entrada de un
dispositivo más el ruido agregado internamente por dicho dispositivo. Este parámetro es
muy usado debido a que es un método más exacto para expresar el ruido aportado por un
dispositivo.
17
Relación de Portadora a Ruido (C/N): Se define como la relación de la potencia promedio
de la portadora modulada3 y la potencia de ruido en el ancho de banda del receptor, en
forma general C/N se define como una SNR previo a la demodulación. Se debe considerar
que la portadora modulada puede contener uno o varios canales de información y por ende
este parámetro permite un análisis global de la información contenida [13]. Para su cálculo
se usa la siguiente ecuación:
J# = J$ % &' % ()'
Ecuación 1.8. Relación Portadora a Ruido
Donde:
- C/N = Relación de portadora a ruido [Adimensional].
- C = Potencia de la portadora [W].
Relación de Portadora a Densidad de Ruido (C/N0): Se define como la relación de la
potencia promedio de la portadora modulada entre la densidad del ruido. Para su cálculo
se usa la siguiente ecuación [13]:
J#- = J$ % &'
Ecuación 1.9. Relación de Portadora a Densidad de Ruido
Donde:
- C/N0 = Relación de portadora a densidad de ruido [Hz].
Es importante recalcar que el C/N0 no depende del ancho de banda ni de la velocidad de
transmisión, por lo que es necesario convertirlo al Eb/N0 o al C/N (en función del tipo de
información) para el diseño y análisis de los sistemas de comunicaciones.
Relación de Energía de bit a Densidad de Ruido (Eb/N0): Es uno de los parámetros
principales al momento de analizar los sistemas de comunicaciones digitales, ya que
permite la comparación de sistemas digitales con diferentes esquemas de modulación y
codificación. Para su cálculo se emplea la siguiente ecuación [13]:
3 La potencia de la portadora modulada incluye el valor de la portadora y las bandas laterales asociadas.
18
KL#- = J % ()'# % MNO = J#- % 1MNO
Ecuación 1.10. Energía de bit a densidad de ruido
Donde:
- Eb/N0 = Relación de energía de bit a densidad de ruido [Adimensional].
- Eb = Energía de bit [J/bit].
- Vtx = Velocidad de transmisión [bps].
Otro parámetro similar corresponde a la Relación de Energía de símbolo a Densidad de
ruido (Es/N0), el cual indica la relación entre el total de potencia en un símbolo transmitido
(incluyendo el overhead por la codificación) y la densidad de ruido. Para el cálculo del Es/N0
se debe multiplicar el Eb/N0 por el número de bits por símbolo y por la tasa de codificación,
como se muestra en la siguiente ecuación.
KP#- = KL#- % Q % RA
Ecuación 1.11. Energía de símbolo a densidad de ruido
Donde:
- Es/N0 = Energía de símbolo a densidad de ruido [Adimensional].
- m = Número de bits por símbolo [bits/símbolo].
- k/n = Tasa de codificación [bits de datos/bits transmitidos].
- k = Bits de datos que entran al codificador [bits].
- n = Bits transmitidos a la salida del codificador [bits].
Potencia isotrópica radiada equivalente (PIRE): Se define como la potencia equivalente
que tendría que irradiar una antena isotrópica4 para producir la misma densidad de potencia
que la antena evaluada en cierto punto. Para su cálculo se toma en consideración la
potencia de entrada a la antena y la ganancia de la antena transmisora según la siguiente
ecuación [13]:
ST4K = Ut % Vt Ecuación 1.12. Potencia Isotrópica Radia Equivalente
Donde:
4 Antena ideal que irradia la misma potencia en todas las direcciones.
19
- PIRE = Potencia Isotrópica Radiada Equivalente [W].
- Pt = Potencia de entrada a la antena transmisora [W].
- Gt = Ganancia de la antena transmisora [Adimensional].
Para estimar el valor de la ganancia de la antena transmisora y receptora del tipo
parabólica, se puede usar la siguiente ecuación [15].
WN = XY % H10.Z[2 % \ % ]I+ Ecuación 1.13. Ganancia de una antena parabólica
Donde:
- ηA = Eficiencia de la antena [Adimensional].
- f = Frecuencia de operación [GHz].
- D = Diámetro lineal del reflector [m].
La eficiencia de apertura η toma un valor típico de 0.55; sin embargo, valores más altos
pueden ser encontrados. Para evitar errores en la estimación de la ganancia, es
recomendable referirse a la hoja de datos del fabricante de la antena a ser usada.
Relación de ganancia a temperatura equivalente de ruido (G/Te): Se define como una
cifra de mérito que representa la calidad de un receptor. El G/Te se calcula como la relación
entre la suma de la ganancia de la antena en recepción y la ganancia del LNA (Low Noise
Amplifier - Amplificador de Bajo Ruido) entre la temperatura equivalente de ruido del
receptor, la cual se calcula a través de la suma de la temperatura de ruido de la antena, la
línea de transmisión y el LNA. Para su cálculo se emplea la siguiente ecuación [13].
W&̂ = W_ % (`aY&̂
Ecuación 1.14. Relación de Ganancia a Temperatura equivalente de Ruido
Donde:
- G/Te = Relación de ganancia a temperatura equivalente de ruido [1/K].
- G = Ganancia del receptor [Adimensional].
- Gr = Ganancia de la antena receptora [Adimensional].
- ALNA = Ganancia del amplificador de bajo ruido [Adimensional].
Latencia: Corresponde al retardo entre el envío y recepción de un mensaje, para lo cual
se deben sumar los retardos de propagación y procesamiento. Este es un parámetro crítico
en el intercambio de información en tiempo real [13].
20
Throughput: Se define como el promedio de la tasa de transmisión total de datos útiles
que pasan por un canal de comunicaciones [13].
1.3.4 Sistemas de Comunicaciones Emergentes
Como se describió anteriormente, un sistema de comunicaciones emergente debe cumplir
con ciertas características que permitan principalmente el intercambio de información entre
el personal de las instituciones de respuesta y autoridades; esto con el objetivo de recopilar
la mayor cantidad de información para la correcta toma de decisiones en un tiempo
adecuado.
Los usuarios de estos sistemas pueden ubicarse en puntos fijos como centros de operación
o en movimiento como sucede con el personal de campo que puede movilizarse a bajas o
altas velocidades según el medio de transporte usado. Por lo que la decisión sobre el o los
sistemas de comunicación a ser implementados dependerá de las necesidades de los
organismos de respuesta y de otros parámetros socioeconómicos que pueden limitar el
despliegue de los mismos [2].
1.3.4.1 Sistema de Radio de 2 Vías Convencional
Es un sistema inalámbrico de uso local que permiten la comunicación Half-Duplex de voz
y datos a través de la propagación de ondas electromagnéticas en las bandas HF (High
Frequency – Alta Frecuencia), VHF (Very High Frequency – Muy Alta Frecuencia) y UHF
(Ultra High Frequency – Ultra Alta Frecuencia). Se compone de tres elementos básicos
para su funcionamiento los cuales son: estación transmisora, estación receptora y
repetidor. El funcionamiento interno de cada uno es similar ya que cuentan con un
transceptor5 que permite el envío y recepción de la información que viaja por el canal de
comunicaciones (la atmósfera). Sin embargo, a diferencia de la estación transmisora y
receptora, el repetidor debe ubicarse en puntos estratégicos para incrementar la cobertura
del sistema [13].
Su principal uso se da en el cumplimiento de tareas de organismos de seguridad y servicios
de emergencia, en los cuales se establece la comunicación en exteriores y por instantes
cortos de tiempo para cada usuario. Es posible que exista una notable disminución de la
calidad de la comunicación cuando el usuario se encuentra al interior de una edificación,
esto se debe a la atenuación por la presencia de obstáculos en el trayecto.
5 Dispositivo que cuenta con un transmisor y receptor compartiendo la misma circuitería [13].
21
Según la banda de frecuencia seleccionada se dispondrá de una mayor o menor cobertura,
esto debido a las trayectorias de propagación de las ondas electromagnéticas en la
atmosfera producto de los fenómenos de refracción y reflexión que ocurren en la misma. A
continuación, se describe las trayectorias de propagación para las bandas de frecuencia
usadas en los sistemas de radio de 2 vías [13]:
- HF: Su propagación ocurre por ondas celestes, las cuales se generan por la
reflexión de las ondas en la ionosfera y por ondas reflejadas en el suelo. Tienen un
gran alcance; sin embargo, su eficiencia y cobertura depende del estado de las
capas ionosféricas y por lo tanto depende de la hora del día y la época del año.
- VHF y UHF: A partir de 30 MHz la propagación se realiza por ondas espaciales, las
cuales incluyen la onda directa o LOS (Line-Of-Sight – Línea de Vista) y las ondas
reflejadas en el suelo. La propagación depende principalmente de las ondas
directas, ya que las ondas reflejadas en el suelo podrán generar interferencia en
función de la fase de la onda con respecto a la onda de LOS. Pueden tener un gran
alcance, limitado por el horizonte de radio debido a la curvatura de la Tierra.
Estos sistemas pueden operar con información analógica o digital y con anchos de banda
de 25 KHz, 12.5 KHz o 6.25 KHz. Los sistemas recientes implementan estándares que
permiten mejorar la eficiencia de uso del recurso de frecuencias a través de la
implementación de TDMA en un solo canal de 12.5 KHz.
En la actualidad es un sistema muy usado por parte de los organismos de control para la
primera respuesta, ya que presenta varías características que le permiten ofrecer servicios
emergentes, como son [2]:
- Estandarización de equipos y protocolos.
- Priorización del tráfico a través de la funcionalidad de escaneo con prioridades.
- Seguridad a través de procesos de encriptación y uso de tonos o bits (en función
del tipo de sistema) que limiten el grupo de usuarios que pueden recibir la
información.
- Posibilidad de establecer llamadas selectivas.
- Rápida y fácil instalación.
Sin embargo, estos sistemas presentan las siguientes desventajas:
- Limitación en el número de canales de información disponibles.
- Únicamente permite comunicación Half-Duplex.
- Cobertura limitada.
22
- Baja capacidad para el envío de datos.
Por lo antes expuesto se considera a los sistemas de radio de 2 vías como complemento
para las operaciones de primera respuesta, ya que no permiten el envío de información
compleja como documentos o contenido audiovisual.
1.3.4.2 Sistema de Radio Troncalizado
Funciona de forma similar a los sistemas de 2 vías convencionales, diferenciándose en el
método de selección del canal para establecer la comunicación ya sea individual o grupal;
los sistemas convencionales realizan dicha selección de forma manual, por lo que es
necesario que se configuren con anterioridad los grupos y canales que podrán ser
seleccionados desde el equipo, esta selección manual puede ocasionar que existan ciertos
canales con un alto tráfico (pudiendo llegar a saturarse) y otros canales que se encuentren
sin uso, dando como resultado una baja eficiencia en el uso de los recursos. Los sistemas
troncalizados realizan esta selección de forma automática, mediante una estación de
control la cual asignará de forma dinámica los canales disponibles. La funcionalidad de
selección automática incrementa la eficiencia en el uso de los recursos de frecuencia y
facilita la operación de los equipos para el usuario final [16].
Para su funcionamiento este sistema requiere adicionar a los sistemas convencionales una
estación controladora, un canal de control y un pool6 de canales de tráfico. El canal de
control llevará la señalización necesaria para la identificación de usuarios y solicitud de
recursos, permitiendo así operar con un modelo de asignación de recursos bajo demanda,
incrementando notablemente la eficiencia del sistema.
Es importante recalcar que se percibirán los beneficios del sistema troncalizado al contar
con un gran número de usuarios y disponer de un pool de canales lo suficientemente
grande. Gracias a la importancia de estos sistemas, en la actualidad existen varios
protocolos que permiten su implementación, entre los que se encuentran: MPT1327, DMR,
APCO Project 25, NXDN [16].
1.3.4.3 RTPC (Red Telefónica Pública Conmutada)
La RTPC se estableció inicialmente como una red con líneas privadas entre cada usuario
que deseaba comunicarse, dando como resultado un modelo ineficiente considerando el
elevado número de usuarios de dicho sistema. Debido a esto fue necesario el uso de
oficinas de conmutación jerárquicas, en donde cada cliente se comunicaba con la oficina
6 En Telecomunicaciones pool se define como un conjunto de recursos que podrán ser asignados a los usuarios.
23
de conmutación más cercana (enlace conocido como lazo local) y una operadora se
encargaba de conectar de forma manual a los 2 clientes para que puedan comunicarse;
para realizar llamadas de larga distancia fue necesario la instalación de líneas troncales
entre las oficinas de conmutación. La RTPC ha sufrido varias modificaciones para ofrecer
un mejor servicio a los usuarios finales; sin embargo, la idea general de su funcionamiento
se mantiene hasta la actualidad [17].
Los sistemas telefónicos usados por la RTPC nacieron con el objetivo de permitir la
transmisión de la voz humana de una forma reconocible, por lo que fue necesario la
implementación de varios mecanismos para permitir la transmisión de datos a través de
ella. El principal problema del uso de la RTPC para la transmisión de datos corresponde a
las bajas velocidad de trasmisión que pueden ser alcanzadas, en comparación con otros
sistemas, debido principalmente a la baja capacidad del lazo local. Gracias al crecimiento
de la RTPC y a la digitalización del borde de la red, se han obtenido incrementos en las
velocidades de transmisión que puede ofrecer este sistema [17].
La RTPC siempre ha cumplido un papel importante en los procesos de respuesta ante
situaciones de emergencia y desastre debido a que concentra un gran número de usuarios
que pueden comunicarse con los organismos de respuesta como el ECU 911. Sin embargo,
tomando en consideración la información proporcionada por el INEC, los hogares en el
Ecuador que cuentan con una línea telefónica han disminuido de 42.4% en el 2012 al 38.4%
en el 2016 [18], esto debido al fuerte crecimiento de las redes celulares.
Es necesario recalcar que tras un evento adverso los servicios de comunicaciones que
ofrece la RTPC pueden verse interrumpidos, debido a la saturación de llamadas en las
oficinas de conmutación o al daño de la infraestructura necesaria para su funcionamiento,
además que su uso no permite ciertas características primordiales para las redes
emergentes como son la movilidad y seguridad [19].
1.3.4.4 Sistema de Telefonía Móvil
La telefonía móvil se define como un sistema inalámbrico WAN (Wide Area Network – Red
de Área Amplia) que permite la transmisión Full-Duplex de voz y datos desde un terminal
celular. Como se puede observar en las cifras estadísticas propuestas por el INEC, en 2016
el 90.1% de los hogares en el Ecuador cuentan con telefonía celular [18].
El desarrollo de los sistemas de telefonía móvil tuvo su inicio en la década de 1960, con la
instalación del IMTS (Improved Mobile Telephone System - Sistema Mejorado de Telefonía
Móvil) [17], el cual permitía el intercambio de voz analógica a través de un solo transmisor
de alta potencia ubicado en un punto estratégico. Los sistemas de telefonía móvil sufrieron
24
un gran cambio a partir de la implementación de AMPS (Advanced Mobile Phone System
- Sistema Avanzado de Telefonía Móvil), el cual es reconocido como la primera generación
(1G), este sistema introduce la operación por celdas para para toda la red, permitiendo así
la reutilización de frecuencias y la reducción en la potencia de cada estación.
Tabla 1.4. Principales tecnologías de los sistemas celulares [17] [20] [21] [22]
Tecnología Acceso al
Medio
Ancho de Banda de operación
[MHz]
Ancho de Banda de canal [Hz]
Tipo de Información
Velocidad de Transmisión
[bps]
D-AMPS (2G)
FDD7 / TDMA (3/6)8
824–849 UL
869–894 DL 30 KHz Voz Digital 48.6 kbps
GSM 900 (2G)
FDD / TDMA (8/16)
890–915 UL
935–960 DL 200 KHz
Voz y Datos Digitales9
13 kbps
GPRS (2.5G)
Se superpone a GSM por lo que mantiene sus características (existen mejoras en los servicios de datos permitiendo la
navegación en internet) 56 – 114 kbps
UMTS (3G) FDD ó TDD /
WCDMA
824-849 UL10
869-894 DL
1850-1910 UL
1930-1990 DL
5 MHz Voz y Datos
Digitales 0.384 – 2 Mbps
HSDPA (3G)
Se superpone a UMTS por lo que mantiene sus características 7.2 - 14.4 Mbps
LTE (4G)
OFDMA DL
SC-FDMA UL
1850-1910 UL
1930-1990 DL
1710-1755 UL
2110-2155 DL
1.4 – 20 MHz
Voz y Datos IP
50 Mbps UL
100 Mbps DL
A partir de la implementación de AMPS la evolución de la telefonía celular siguió el mismo
rumbo, manteniendo la idea de sectorización por celdas y reutilización de frecuencias. La
fuerte concentración de usuarios del sistema de telefonía móvil se debe principalmente al
gran desarrollo de las redes celulares que han permitido un incremento considerable en las
tasas de transmisión, la cobertura casi completa de las zonas urbanas del país y un alto
7 FDD (Frequency Division Duplex – Duplexación por División de Frecuencia) y TDD (Time Division Duplex – Duplexación por División de Tiempo) corresponden a la duplexación mediante el uso de FDM y TDM respectivamente. 8 Se indica en paréntesis el número de ranuras de tiempo en full rate y half rate respectivamente. 9 En GSM únicamente se incluyen servicios de datos simples como SMS (Short Message Service – Servicio de Mensajes Cortos), MMS (Multi Media Messages – Mensajes Multimedia) y correo electrónico. 10 UL (UpLink – Enlace de Subida) y DL (DownLink – Enlace de Bajada)
25
porcentaje de las zonas rurales, y el desarrollo de los terminales móviles que permite la
concentración de varios servicios a través de un solo dispositivo con tamaño muy reducido.
En la Tabla 1.4 se describen las características técnicas de las principales tecnologías de
los sistemas celulares hasta la actualidad, en las que se incluyen: D-AMPS (Digital
Advanced Mobile Phone System – Sistema Avanzado de Telefonía Móvil Digital), GSM
(Global System for Mobile Communications – Sistema Global para Comunicaciones
Móviles), GPRS (General Packet Radio Service – Servicio General de Paquetes vía Radio),
UMTS (Universal Mobile Telecommunications System – Sistema Universal de
Telecomunicaciones Móviles), HSDPA (High Speed Downlink Packet Access – Paquetes
de Acceso de Downlink de Alta Velocidad) y LTE (Long Term Evolution – Evolución a Largo
Plazo).
Como se puede observar los sistemas de telefonía móvil han sufrido un notable crecimiento
en las tasas de transmisión, dicho crecimiento en conjunto con la encriptación y compresión
de la información, la movilidad de los usuarios y la gran cobertura; permiten que se
considere a las redes de telefonía móvil como una buena solución ante situaciones de
desastre. Sin embargo, la operación de las redes celulares requiere de una gran
infraestructura dependiente totalmente del operador, por lo que un fallo o daño en la misma
puede implicar la pérdida total de la comunicación en determinadas zonas. Un claro
ejemplo de esta deficiencia se evidencio con la interrupción del servicio tras el terremoto
del 16 de abril de 2016, debido a la afectación de 179 instalaciones y la interrupción del
servicio eléctrico de forma prolongada [4].
1.3.4.5 Equipos Periféricos
Dentro de esta categoría se encuentran las cámaras y botones de auxilio usados para
alertar a las instituciones de respuesta, un sistema compuesto por estos equipos permite
realizar las actividades de reducción y prevención mediante la recolección y análisis de
información.
Un claro ejemplo de una red compuesta por estos equipos corresponde al sistema de
monitoreo del ECU 911, el cual dispone de una serie de cámaras de video vigilancia
ubicadas en puntos críticos, conectadas alámbrica e inalámbricamente a los centros
operativos. Adicionalmente el ECU 911 cuenta con varios botones de auxilio que generan
un despacho inmediato de las unidades de respuesta, estos botones pueden ser instalados
en instituciones y barrios organizados, medios de transporte público y botones virtuales a
través de aplicaciones para terminales de telefonía móvil [23].
26
La información recolectada por los equipos periféricos permite la toma de decisiones
críticas, tanto en la etapa de reducción como en la etapa de respuesta.
1.3.5 Sistemas Satelitales
En los puntos anteriores se han descrito las características técnicas y ventajas de los
sistemas de telecomunicaciones emergentes actualmente disponibles en el país. Sin
embargo, sistemas como la RTPC y la red de telefonía móvil dependen por completo del
mantenimiento y reparación de los operadores, por esta razón resulta obligatoria la
definición de un SLA (Service Level Agreement - Acuerdo de Nivel de Servicio) para que
estas redes permitan la comunicación en situaciones de emergencia o desastre. En
cambio, los sistemas de radio de 2 vías y radio troncalizado dependen de la institución que
los implementa, por lo que se tiene total control del mantenimiento y reparación de la red;
no obstante, estos sistemas están limitados únicamente a las comunicaciones de voz Half-
Duplex. Por estas razones es necesario plantear un sistema de comunicaciones dedicado
al intercambio de información en situaciones de emergencia que cumpla con todos los
requisitos ya establecidos [19].
Debido a sus características los sistemas satelitales pueden ser muy útiles para las
comunicaciones en situaciones de emergencia y desastre, por lo que en las siguientes
secciones se describirá el funcionamiento y diseño de dichos sistemas, manteniendo como
principal objetivo el intercambio de información crítica entre unidades fijas y móviles.
1.3.5.1 Introducción a los Sistemas Satelitales
Los sistemas satelitales se definen como sistemas inalámbricos de Área Amplia que operan
a través de estaciones ubicadas en la Tierra (conocidas como estaciones terrenas) y uno
o más satélites ubicados en el espacio. Un sistema satelital cuenta con un segmento
espacial (formado por el satélite y su centro de control) y un segmento terrestre (formado
por el conjunto de estaciones terrestres que se comunican).
De forma general, se define a un satélite de comunicaciones como un repetidor de
microondas en el espacio, este repetidor se puede clasificar en natural (como el caso de la
Luna que orbita alrededor de la Tierra) o artificial (hecho por el hombre). Adicionalmente
se puede clasificar a los satélites en pasivos y activos, siendo la principal diferencia el
procesamiento, amplificación y regeneración de la señal que ocurre en los satélites activos
[13].
Para el establecimiento de las comunicaciones, un satélite artificial activo debe estar
compuesto de los siguientes elementos: transmisor, receptor, antenas, guías de onda,
filtros, multiplexor, modem, códec, computador, amplificador y regenerador; este conjunto
27
de componentes corresponde a un radio-repetidor satelital conocido con el nombre de
transpondedor. Un transpondedor se encarga de recibir las señales de información en una
determinada porción del espectro, amplificarlas, regenerarlas y retransmitirlas en otra
porción del espectro para evitar posibles interferencias. Un satélite puede disponer de
varios transpondedores a bordo.
El enlace desde la estación terrena al satélite corresponde al UL, el enlace desde el satélite
a la estación terrena al DL y la unión de estos dos enlaces para una misma comunicación
es conocido como “salto satelital”. También existen enlaces de comunicación entre
satélites, esto especialmente en orbitas bajas para permitir la continuidad de la
comunicación Estación Terrena – Satélite - Estación Terrena.
Una de las mayores ventajas de los sistemas satelitales corresponde a su gran cobertura,
ya que ubicando un satélite en la órbita correcta y con ciertas características de frecuencia
y potencia puede ser posible cubrir hasta un tercio del planeta [17].
1.3.5.2 Órbitas Satelitales
Una órbita es aquella trayectoria que sigue un cuerpo (conocido como secundario o
satélite) alrededor de otro (conocido como primario). Esta trayectoria se mantiene debido
al equilibrio entre la fuerza centrífuga del satélite al girar y la fuerza gravitacional ejercida
por la Tierra.
Se pueden clasificar a las órbitas en 3 categorías en función de su distancia desde la
superficie de la tierra: órbita terrestre geosíncrona (GEO), órbita terrestre media (MEO) y
órbita terrestre baja (LEO). Esta clasificación se realizó tomando en consideración los
periodos orbitales de los satélites y la afectación del satélite debido a la presencia de los
Cinturones de Van Allen11.
Los satélites más cercanos a la superficie terrestre se encuentran en una órbita LEO y por
lo general operan en las bandas L y S, en el rango de frecuencias de 1 a 2.5 GHz [13].
Poseen un periodo orbital muy pequeño y por lo tanto se mueven a gran velocidad con
respecto a un observador inmóvil en la Tierra; debido a esto es necesario contar con
sistemas de varios satélites para dar cobertura a nivel mundial. Las principales ventajas de
los satélites LEO corresponden al bajo retardo de propagación (entre 1 y 7 ms) y bajas
pérdidas de las señales enviadas. Un ejemplo de estos satélites corresponde a la
11 Los Cinturones de Van Allen son capas de partículas altamente cargadas que son atrapadas por el campo magnético de la tierra.
28
constelación Iridium, la misma que provee servicios de voz, datos, radiolocalización y
navegación [17].
Los satélites ubicados entre los 9000 Km y 19000 Km de altura sobre la superficie terrestre
se encuentran en una órbita MEO y por lo general opera en la banda L, en el rango de
frecuencias de 1.2 GHz a 1.66 GHz [13]. EL periodo orbital de estos satélites es menor con
respecto a los satélites LEO y su retardo de propagación se incrementa (entre 35 y 85 ms).
En la actualidad estos satélites son usados para proveer servicios de navegación, como
por ejemplo el sistema satelital NAVSTAR usado para posicionamiento global.
Los satélites ubicados a una altura de aproximadamente 35800 Km sobre la línea ecuatorial
se encuentran en una órbita circular GEO y su periodo orbital es igual al de la tierra, por lo
que para un observador inmóvil en la tierra parecería que el satélite mantiene su posición.
Por lo general estos satélites operan en las bandas C y Ku. Debido a la distancia entre el
satélite y la tierra se tiene un elevado retardo de propagación (alrededor de 270 ms). Al
considerar las fuerzas externas y la no uniformidad de la tierra, los satélites en esta órbita
se desplazarán muy levemente a lo largo del tiempo, por lo que es necesario corregir la
posición del satélite mediante el uso de motores incorporados en el mismo [17].
Es importante recalcar que existe una sola órbita geosíncrona y que gracias a sus
características la mayoría de los satélites de comunicación se encuentran ubicados en la
misma. Con la finalidad de evitar la saturación de esta órbita se emplean técnicas de
acceso múltiples como FDMA y PDMA12 permitiendo que la capacidad del sistema se
incremente y puedan establecerse más enlaces de comunicaciones.
1.3.5.3 Espaciamiento y Asignación De Frecuencias
Los satélites GEO son los más usados para comunicaciones debido a sus características
y ventajas principalmente por la simplicidad de los equipos instalados en la estación
terrena; por esta razón el espaciamiento y asignación de frecuencias de operación debe
ser regulado por organismos internacionales como UIT y organismos nacionales como la
ARCOTEL (Agencia de Regulación y Control de las Telecomunicaciones), esto con la
finalidad de evitar la interferencia con otros servicios de comunicación y hacer un uso
eficiente de los recursos disponibles.
La separación angular que debe existir entre satélites depende de las siguientes variables:
12 PDMA (Polarization Division Multiple Access – Acceso Múltiple por División de Polarización) reúsa una frecuencia empleando dos antenas con diferente polarización, evitando así la interferencia entre señales.
29
- Frecuencia y potencia de la portadora RF.
- Ancho de banda.
- Codificación usada sobre la información.
- Lóbulo de radiación de las antenas en el satélite y la estación terrena.
- Interferencia con sistemas terrestres.
Se considera que la separación espacial necesaria será de 3° a 6° en función de las
variables anteriormente descritas; la decisión sobre la ubicación de los satélites y la
autorización de operación dependen de acuerdos y conferencias realizadas a nivel
internacional.
1.3.5.4 Componentes
Un sistema satelital se puede descomponer en 3 secciones para su respectivo análisis,
estas son: el enlace de subida, el transpondedor en el satélite y el enlace de bajada.
Enlace de Subida: La estación terrena transmisora es el componente principal de esta
sección, dicha estación consiste en una etapa de recolección de información en banda
base y una etapa de transmisión de dicha información. La etapa de recolección puede estar
compuesta por computadoras, switches, routers y servidores. La etapa de transmisión toma
la información en banda base a ser transmitida y se encarga de la modulación y codificación
de la misma, para esto cuenta con un modulador de FI (Frecuencia Intermedia), un
convertidor encargado de elevar la frecuencia de FI a RF (Radio Frecuencia), BPFs (Band
Pass Filter - Filtro Pasa Banda) y un HPA (High Power Amplifier – Amplificador de Alta
Potencia). En la Figura 1.2 se puede observar el diagrama de bloques del enlace de subida
desde la estación terrena.
Transpondedor: Un transpondedor puede ser definido como una repetidora de RF a RF,
ya que se encarga de recibir la información en una frecuencia y retransmitirla en otra, para
esto un transpondedor está compuesto de los siguientes elementos: BPFs a la entrada y
salida, LNA (Low Noise Amplifier – Amplificador de Bajo Ruido), convertidor encargado de
desplazar la frecuencia en RF y un amplificador de baja potencia. En la Figura 1.3 se puede
observar el diagrama de bloques de un transpondedor satelital, es importante recalcar que
un transpondedor satelital puede ser ocupado por uno o varios canales de RF.
Enlace de Bajada: Su componente principal es la estación terrena receptora, la cual se
encarga de convertir la información de RF en banda base, por lo que cuenta con los
siguientes componentes: BPFs, LNA, convertidor encargado de bajar la frecuencia de RF
a FI y un modulador de FI. En la Figura 1.4 se puede observar el diagrama de bloques del
enlace de bajada en la estación terrena
30
Figura 1.2. Diagrama de bloques del enlace de subida [13]
Figura 1.3. Diagrama de bloques de un transpondedor satelital [13]
Figura 1.4. Diagrama de bloques del enlace de bajada [13]
1.3.5.5 Transpondedor
Como se describió anteriormente, un transpondedor se compone de una serie de
elementos interconectados para formar un canal de comunicaciones entre la antena
transmisora y receptora de un satélite de comunicaciones. Para cada banda de frecuencias
se asigna un ancho de banda específico, este ancho de banda se subdivide típicamente
en canales de 36 MHz para cada transpondedor y una banda de guarda de 4 MHz entre
31
cada transpondedor. La frecuencia central y polarización para cada canal RF depende del
operador satelital y esta información puede encontrarse en el plan de frecuencia y
polarización del satélite a ser usado [15].
1.3.5.6 Huella de un Satélite
La huella o también conocida como mapa de huella se define como la representación
geométrica del patrón de radiación de la antena del satélite sobre la superficie terrestre, a
través de la huella se puede determinar las zonas de cobertura de dicho satélite [13].
La huella de un satélite se representa mediante curvas de nivel de la densidad de potencia
recibida, PIRE o G/Te requerido en los puntos internos a cada curva, como se puede
observar en la Figura 1.5.
Se puede clasificar a los haces de radiación en función del área de cobertura de su huella
(concentración de la potencia), dando como resultado los haces locales, zonales,
hemisféricos y globales. Los haces locales y zonales cubren menos del 10% de la superficie
terrestre y por lo tanto requieren antenas muy directivas y altas frecuencias de operación.
Los haces hemisféricos abarcan hasta un 20% de la superficie terrestre. Los haces
globales cubren hasta un 42% de la superficie de la tierra con niveles de potencia efectiva
considerablemente menores y por lo tanto requieren de grandes antenas en las estaciones
terrenas [15].
Figura 1.5. Huella de PIRE de un satélite [13]
1.3.5.7 Ángulos de Apuntamiento
Con la finalidad de optimizar el enlace entre la estación terrena y el satélite es necesario
que el pico máximo del lóbulo de radiación de la antena en la estación terrena apunte
directamente al satélite, para lo cual se establecen los ángulos de azimut y elevación con
los que se debe apuntar la antena en la estación terrena en función de la posición del
satélite [13].
32
Para calcular los ángulos de apuntamiento es necesario especificar la ubicación del satélite
en términos de latitud y longitud, para lo cual el satélite se identifica con un punto sobre la
superficie terrestre que se obtiene con el cruce entre la superficie de la tierra y la línea
imaginaria al unir el satélite y el centro de la tierra, este es conocido como SSP (SubSatellite
Point - Punto Subsatélite) [15].
El ángulo de elevación (El) corresponde al ángulo vertical formado entre la dirección de la
onda electromagnética irradiada por una antena y el plano horizontal como se puede
observar en la Figura 1.6. Mientras menor es el ángulo de elevación mayor será la distancia
del enlace entre el satélite y la estación terrena y por lo tanto mayor será la atenuación, la
absorción y la contaminación por sistemas microonda terrestres; por esta razón se
considera que 5° es el valor mínimo para la elevación [15].
El ángulo de azimut (Az) se define como el ángulo horizontal desde un punto de referencia
que puede ser el norte o sur verdaderos, hacia la dirección de la onda electromagnética
irradiada en el sentido de las manecillas del reloj como se puede observar en la Figura 1.6.
Para el presente estudio se considerará el azimut en base al norte verdadero.
Figura 1.6. Ángulos de Elevación (El) y Azimut (Az) [15]
Para el cálculo de los valores de Azimuth y Elevación es posible emplear la metodología
expuesta en [15] o emplear las diferentes herramientas disponibles en línea.
1.3.5.8 Afectaciones en Sistemas Satelitales
En el trayecto entre la estación terrena y el satélite la onda electromagnética puede verse
afectada de forma negativa por el incremento del ruido, las pérdidas de potencia, distorsión,
despolarización y cambio de frecuencia de las señales, múltiples trayectorias, retrasos de
propagación, entre otros. El conocimiento de estas afectaciones permite estimar de forma
correcta los parámetros de operación necesarios para ofrecer servicios confiables [15].
33
Absorción Atmosférica: Ocurre como resultado de la absorción de energía por los gases
presentes en la atmosfera como fue detallado en la sección 1.3.3.5; para su estimación se
requiere de gráficos basados en datos estadísticos como la Figura 1.1 o la información
contenida en el Reporte 719-1 de la CCIR (Comité Consultivo Internacional de
Radiocomunicaciones), en estos gráficos se puede observar un pico de absorción a una
frecuencia de 22.3 GHz y otro pico a una frecuencia de 60 GHz, a otras frecuencias la
absorción atmosférica es muy baja.
Es importante recalcar que los valores mostrados en las figuras son para ángulos de
elevación de 90°; para aproximar los niveles de absorción con ángulos de elevación
menores se puede hacer uso de la Ecuación 1.15, para ángulos de elevación desde 10° a
90° [15].
bYYcd = bYY*e-cd % fsfHKhI Ecuación 1.15. Nivel de absorción atmosférica en función del ángulo de elevación
Donde:
- LAAdB = Absorción atmosférica [dB].
- LAA-90dB = Absorción atmosférica a 90° [dB].
- El = Ángulo de elevación [°].
Centelleo: El centelleo corresponde al desvanecimiento rápido generado por las múltiples
trayectorias que sigue la señal, dando como resultado en el reforzamiento o cancelación
parcial de las ondas. Este efecto se presenta tanto en la ionósfera y tropósfera de la
atmósfera terrestre, debido a la variación en la densidad de la atmósfera con la altura, las
discontinuidades presentes y la presencia de partículas ionizadas. El centelleo depende de
varios parámetros como la frecuencia de la onda y el ángulo de elevación, siendo alto el
centelleo en la tropósfera para frecuencias sobre los 10 GHz y bajos ángulos de elevación,
y alto en la ionósfera con frecuencias bajo los 10 GHz [24].
Atenuación por lluvia: Genera una pérdida considerable de potencia y por lo tanto una
degradación de la relación señal a ruido, para su estimación puede hacerse uso de varios
modelos de cálculo que pueden tomar en consideración los siguientes parámetros del
enlace: latitud y altura de la estación terrena, ángulo de elevación, frecuencia, polarización
e intensidad de lluvia de la zona, entre otros parámetros que se encuentran definidos en
las recomendaciones UIT-R 838, UIT-R PN.837 y UIT-R P.530; en el presente estudio se
considerará un valor promedio de 3 dB para la atenuación por lluvia, este valor viene dado
34
tomando en cuenta la experiencia en sistemas satelitales por parte de la empresa DIGITEC
S.A.
Otras afectaciones: Dentro de esta categoría se encuentran las pérdidas por
apuntamiento (generadas por la desalineación de las antenas de transmisión y recepción
de las estaciones terrenas con las antenas del satélite) y las pérdidas por rotación de
polarización (generadas por la interacción de las ondas electromagnéticas con la
atmósfera). Por facilidad se considera un valor conjunto entre las pérdidas por
apuntamiento y pérdidas por rotación de polarización, este valor viene dado en función de
datos estadísticos basados en la observación; para las operaciones de cálculo del enlace
se considera un valor de 1 dB [25].
Ruido del sistema: Adicional a las fuentes de ruido térmico, como son los componentes
del sistema y la radiación térmica de los cuerpos, cualquier proceso de absorción de
energía genera ruido térmico, por lo que se puede decir que existe una relación entre las
pérdidas y la temperatura equivalente de ruido [15].
La cantidad de ruido es importante en el cálculo del enlace del sistema, por lo que se
describirán las fuentes principales de ruido y su nivel de afectación.
- Entre 1 GHz y 10 GHz y para ángulos de elevación mayores a 10° se tiene una
temperatura equivalente de ruido entre 3 K y 80 K para las antenas de recepción
en la estación terrestre y una temperatura equivalente de ruido de
aproximadamente 290 K para las antenas de recepción en el satélite [15].
- Todo amplificador adiciona ruido y amplifica el ruido ya existente en las señales. Es
por esta razón que en el receptor se usa un LNA, con la finalidad de reducir el nivel
de ruido que aumenta dicho componente. Los valores típicos de temperatura de
ruido equivalente para un LNA se encuentran entre 35 K y 100 K [15].
- Los componentes que absorben energía como los atenuadores, líneas de
transmisión, guías de onda e incluso la lluvia generan ruido y por lo tanto tienen una
temperatura equivalente de ruido asociada. Gracias a la elevada ganancia del LNA
en el receptor, es posible considerar como despreciable la temperatura equivalente
de ruido de las pérdidas posteriores.
La temperatura de ruido proveniente de varias fuentes del sistema puede ser sumada en
la proporción correcta para dar una temperatura de ruido total del sistema, es importante
recalcar que dicha suma no considera las temperaturas de ruido en relaciones logarítmicas.
35
1.3.5.9 Balance de Potencia o Cálculo del Enlace
Para cumplir los requisitos de una red de comunicaciones, es necesario asegurar la calidad
de la señal recibida y la disponibilidad del servicio sin importar las condiciones; para esto
es necesario que las señales emitidas por la estación transmisora lleguen a la estación
receptora con la suficiente potencia.
La finalidad principal del diseño de un enlace es cumplir con el valor de C/N0 o una relación
equivalente (en sistemas digitales se suele usar el Eb/N0) para reducir los valores de
comunicación insatisfactoria a los valores tolerados por la red, es decir cumplir con la
disponibilidad establecida para la red; para esto es necesario identificar los factores
internos y externos que puedan afectar al sistema tanto de forma permanente como
transitoria [15].
El balance de potencias se realiza mediante el cálculo de la mínima potencia requerida en
el transmisor para asegurar la calidad de la información que llega al receptor, tomando en
consideración pérdidas, ruido e interferencia en todo el enlace. Para lo cual es necesario
representar matemáticamente la potencia que llega al receptor a través de la potencia de
salida del transmisor y todas las pérdidas en el trayecto13, dichas expresiones serán
representadas a través relaciones logarítmicas mediante decibeles.
Estación Terrena – Satélite (Enlace de Subida - UL):
Para determinar el nivel de potencia recibida en el transpondedor se usa la Ecuación 1.16
[15].
S_cd = ST4KHibIcd > W_cd > (`aYcd ? bjcd ? b_kmA ? b\_cd
Ecuación 1.16. Potencia de recepción en el enlace de subida
Donde:
- PrdB = Potencia recibida [dBW].
- PIRE(UL)dB = PIRE a la salida de la estación terrena en el enlace de subida [dBW].
- GrdB = Ganancia de la antena receptora [dB].
- ALNAdB = Ganancia del amplificador de bajo ruido [dB].
- LudB = Pérdidas acumuladas en el enlace de subida [dB].
- LraindB = Pérdidas por lluvia [dB].
13 Cabe recalcar que las pérdidas son valores mayores a 1, que se calculan como la relación de la potencia de salida del transmisor entre la potencia de entrada al receptor.
36
- LfrdB = Pérdidas en el feeder del receptor [dB].
El PIRE se compone de la ganancia y potencia de entrada a la antena en la estación
transmisora, para el caso de la estación terrena la potencia de entrada a la antena se
calcula en base a la Ecuación 1.17 [15].
SNcd = SnpYcd ? b\Ncd ? bNcd
Ecuación 1.17. Potencia de entrada a la antena en la estación terrena
Donde:
- PtdB = Potencia de entrada a la antena transmisora [dBW].
- PHPAdB = Potencia de salida del HPA [dBW].
- LftdB = Pérdidas en el feeder del transmisor [dB].
- LtdB= Otras pérdidas en el transmisor [dB].
Es necesario verificar que el PIRE cumpla con los requerimientos establecidos para el
óptimo funcionamiento del satélite y la estación terrena, ya que según se opere con 1 o
varias portadoras se establecerá un valor límite para la potencia transmitida, reduciendo
así la posibilidad de intermodulación al operar el amplificador del satélite en saturación. La
cuantificación de este límite se realiza a través de los parámetros de IBO (Input Back Off -
Reserva de Potencia a la Entrada) y OBO (Output Back Off - Reserva de Potencia a la
Salida), en donde el IBO es restado en el enlace de subida y el OBO en el enlace de bajada
[15].
Con la finalidad de facilitar la evaluación del enlace, es necesario emplear parámetros
como el C/N, C/N0 o Eb/N0; inicialmente se calculará el C/N0 mediante la Ecuación 1.18
[15], el mismo que servirá de base para el cálculo del C/N o Eb/N0 según sea necesario.
J#- HibIcd = S_cd ?#-cd = ST4KHibIcd > W&'cd ? bjcd ? b_kmA ? b\_cd ? $cd
Ecuación 1.18. C/N0 de recepción en el enlace de subida
Donde:
- C/N0 (UL)dB = Relación de portadora a densidad de ruido en el enlace de subida
[dBHz].
- N0dB = Densidad de Ruido [dBW/Hz].
- G/TedB = Relación de ganancia a temperatura equivalente de ruido [dBK-1].
- KdB = Constante de proporcionalidad de Boltzmann= -228.6 [dBJ/K].
37
Para el caso del satélite se considera que el parámetro Lfr tiene un valor de 0. Mientras
que el parámetro Lu se calcula mediante la siguiente ecuación [15].
bjcd = b\qcd > bQkcd > bYYcd
Ecuación 1.19. Pérdidas acumuladas en el enlace de subida
Donde:
- LfsdB = Pérdidas de espacio libre [dB].
- LmadB = Pérdidas por apuntamiento [dB].
- LAAdB = Absorción atmosférica [dB].
Los valores de las pérdidas atmosféricas y pérdidas por apuntamiento son calculados
mediante los procedimientos descritos en la sección 1.3.5.8, mientras que las pérdidas por
espacio libre se calculan a través de la Ecuación 1.20 [15].
b\qcd = 10 % log EZ % r % uv F+ Ecuación 1.20. Pérdidas por espacio libre
Donde:
- d = Distancia desde la estación terrena hasta el satélite [m].
- λ = Longitud de onda de la señal [m].
Satélite - Estación Terrena (Enlace de Bajada - DL):
Para el enlace de bajada se usa la Ecuación 1.18 con ciertas modificaciones, dando como
resultado la siguiente ecuación [15]:
J#- H]bIcd = ST4KH]bIcd > W&'cd ? bucd ? b_kmA ? b\_cd ? $cd
Ecuación 1.21. C/N0 de recepción en el enlace de bajada
Donde:
- C/N0(DL)dB = Relación de portadora a densidad de ruido en el enlace de bajada
[dBHz].
- PIRE(DL)dB = PIRE a la salida del satélite [dBW].
- LddB = Pérdidas acumuladas en el enlace de bajada [dB].
En este caso el PIRE depende del valor de la potencia recibida a la entrada del satélite
(Enlace de subida) y su relación de amplificación. Para su cálculo es necesario determinar
38
antes la FD (Flux Density - Densidad de Flujo) recibida en el satélite, la cual se calcula
mediante la siguiente ecuación [15]:
5]cd = ST4KHibIcd ? bjcd ? b_kmA ? 10 % logD- w v+Z % rx
Ecuación 1.22. Densidad de Flujo a la entrada del satélite
Donde:
- FDdB = Densidad de Flujo a la entrada del satélite [dBW/m2].
Una vez calculado el FD se determinar el CIBO (Carrier Input Back Off - Potencia de
Reserva de Entrada para las Portadoras), a través de la siguiente ecuación [26]:
JT)ycd = 5]cd ? H/5]cd >i(JcdI Ecuación 1.23. Potencia de reserva de entrada para las portadoras
Donde:
- CIBOdB = Potencia de reserva de entrada para las portadoras [dB].
- SFDdB = Densidad de flujo de saturación [dBW/m2].
- UACdB = Factor de corrección de aspecto en el enlace de subida [dB].
El SFD (Saturation Flux Density – Densidad de Flujo de Saturación) es un parámetro
específico del satélite empleado, mientras que el UAC (Uplink Aspect Correction - Factor
de Corrección de Aspecto en el enlace de subida) corresponde a la diferencia entre la
ganancia en el borde de la huella y la ganancia en la dirección de la estación terrena para
el enlace de subida.
El valor del CIBO en conjunto con el PIRE pico del enlace de bajada y con la diferencia
entre el OBO e IBO permite calcular el COBO (Carrier Output Back Off - Potencia de
Reserva de Salida para las Portadoras) y con esto el PIRE de salida del satélite, para lo
cual se emplean las siguientes ecuaciones [26]:
Jy)ycd = JT)ycd > y)ycd ? T)ycd
Ecuación 1.24. Potencia de reserva de salida para las portadoras
Donde:
- COBOdB = Potencia de reserva de salida para las portadoras [dB].
- OBOdB = Potencia de reserva de salida [dB].
- IBOdB = Potencia de reserva a la entrada [dB].
39
ST4KH]bIcd = ST4KQkOH]bIcd > Jy)ycd ?](Jcd
Ecuación 1.25. Aproximación al PIRE de salida del satélite
Donde:
- PIREmax(DL)dB = Máximo PIRE de transmisión del satélite [dBW].
- DACdB = Factor de corrección de aspecto en el enlace de bajada [dB].
Donde el DAC (Dowlink Aspect Correction - Factor de Corrección de Aspecto en el enlace
de bajada) es similar al UAC pero considerando el enlace descendente.
En la Ecuación 1.21 el parámetro Lfr tendrá un valor diferente a 0 ya que se refiere a la
estación terrena, mientras el parámetro Ld se calcula de igual forma al parámetro Lu,
siendo posible usar la Ecuación 1.19, siempre y cuando se consideren las modificaciones
necesarias en los valores involucrados para su cálculo.
Es importante recalcar que, si bien las ecuaciones usadas para el enlace de subida y enlace
de bajada son similares, se debe diferenciar la estación transmisora y receptora en cada
caso para elegir de forma adecuada los parámetros que serán usados. Una vez conseguido
el valor esperado de C/N0, Eb/N0 o C/N, se establece el PIRE requerido para asegurar el
correcto funcionamiento del sistema satelital.
Margen de Desvanecimiento
Para superar los factores que afectan de forma transitoria, es necesario considerar un
margen de potencia que permita mantener el C/N0. En la banda C y banda Ku, la lluvia es
uno de los factores causantes más significativos de desvanecimiento de la señal. La
atenuación producida por la lluvia incrementa con la frecuencia y es mayor para señales
con polarización circular, dicha atenuación ya fue considerada en la Ecuación 1.18 y 1.21
para el cálculo del enlace.
La atenuación producida por la lluvia también genera un incremento en la temperatura de
ruido, dicho incremento resulta insignificante en el enlace de subida, ya que la antena en
el satélite se encuentra apuntando hacia la tierra y por lo tanto recibe una alta radiación por
parte de la misma [15]. Por esta razón en el diseño del enlace de subida solamente es
necesario considerar las pérdidas por lluvia.
Para el caso del diseño del enlace de bajada es necesario considerar la atenuación y el
incremento de la temperatura de ruido introducidos por la lluvia, para lo cual se usa la
siguiente ecuación [15]:
40
&_kmA = &k % E1 ? 1b_kmAF Ecuación 1.26. Temperatura de ruido por lluvia en DL
Donde:
- Ta = Temperatura aparente de absorción [K].
- Train = Temperatura equivalente de ruido por lluvia [K].
El parámetro Ta usado en la Ecuación 1.26 corresponde a la “temperatura aparente de
absorción” y su valor se encuentra en el rango de 270 K a 290 K [15]. La expresión en el
denominador de esta ecuación permite ver que no se trabaja con las pérdidas por lluvia en
decibeles. En base a lo expuesto anteriormente el C/N0 final en el enlace de bajada se
puede calcular en base a la siguiente ecuación:
J#- H]bz{67Icd = J#- H]bIcd ? 10 % logD- &' > &_kmA&'
Ecuación 1.27. C/N0 total contando con la atenuación y ruido por lluvia
Donde:
- C/N0(DLrain)dB = Relación de portadora a densidad de ruido en el enlace de bajada
considerando la afectación por la lluvia [dBHz].
Enlace completo: Estación Terrena – Satélite – Estación Terrena
El valor de C/N0(DLrain) indica el valor total para todo el sistema, esto se debe a que el
mismo considera las aproximaciones de potencia a la salida de la estación terrena
transmisora, entrada al satélite, salida del satélite y entrada a la estación terrena receptora.
Es importante recalcar que el parámetro limitante del diseño de sistemas satelitales
digitales corresponde al Es/N0, el cual depende del C/N0,la tasa de transmisión, esquema
de modulación y codificación de la información, por lo que previo al diseño es necesario
estimar la información relacionada al tráfico.
1.3.5.10 Sistema VSAT (Very Small Aperture Terminal – Terminal de
Apertura muy Pequeña)
Como su nombre lo indica, una VSAT es una “micro” estación terrena caracterizada por el
reducido tamaño de sus antenas, siendo estas típicamente de un diámetro menor a 3.5 m
[27]. La estructura básica de una red VSAT consiste de una estación concentradora
(conocida como hub), estaciones remotas (compuesta por el terminal VSAT) y el satélite.
El hub corresponde a una estación terrena de gran tamaño que es controlada por el
41
operador de la red y permite la difusión de la información a las estaciones remotas, puede
ser considerado como la parte inteligente encargada de controlar la operación,
configuración y tráfico de la red; y el desempeño, uso y estado de cada estación remota.
Un hub puede ser compartido por varias organizaciones; sin embargo, cada usuario posee
acceso exclusivo a su propia red VSAT [27].
El hub consiste de equipos RF, interfaces de equipo VSAT, equipos del cliente y equipo de
monitoreo y control de la red. En la Figura 1.7 se puede observar el diagrama de bloques
general para una estación hub.
Las estaciones remotas corresponden al punto de entrada hacia la red satelital para los
clientes y cada uno se compone de una antena, un ODU (OutDoor Unit - Unidad Externa),
una IDU (InDoor Unit - Unidad Interna) y un cable de conexión IFL (Inter Facility Link Cable
– Cable de Enlace entre Instalaciones). La antena y el ODU son los equipos encargados
de la radiofrecuencia, donde el ODU realiza las funciones de transmisión y recepción de la
señal, mientras que el IDU provee las conexiones en banda base de los equipos del
usuario. En la Figura 1.8 se pueden observar dichos componentes [27].
Figura 1.7. Diagrama de bloques de estación hub [27]
42
Figura 1.8. Elementos de una estación remota [27]
Los sistemas VSAT pueden operar en tres tipos de topologías, estos son: estrella, malla e
híbrido. En una topología del tipo estrella cada estación remota transmite y recibe hacia y
desde el hub, por lo que toda comunicación entre estaciones remotas debe pasar por el
mismo. La mayoría de las redes VSAT operan en esta configuración debido a la elevada
ganancia de la antena en el hub, lo cual optimiza el uso del segmento satelital y minimiza
el tamaño de las antenas en las estaciones remotas.
En una topología tipo malla las estaciones remotas pueden comunicarse entre ellas
directamente y la estación hub únicamente se encarga de controlar el establecimiento y
finalización de las comunicaciones. Las redes VSAT con topología tipo malla son muy
usadas para proveer aplicaciones sensibles al retardo como la voz. Es importante
considerar que se requiere de antenas de mayor tamaño, amplificadores de mayor
ganancia y receptores con un alto G/Te para cada estación remota.
La topología híbrida es usada para permitir una comunicación eficiente en una red con
requerimientos de tráfico distintos para la comunicación entre estaciones remotas. Las
estaciones remotas con una alta demanda son conectadas a través de una topología tipo
malla y el resto se comunican a través de una topología tipo estrella. Esto permite que las
estaciones remotas de alta demanda puedan reducir su latencia y capacidad satelital
necesaria.
Es posible clasificar a las aplicaciones que puede proveer una red VSAT en dos categorías,
estas son: difusión o aplicaciones de una vía e interactivo o aplicaciones de dos vías. Las
aplicaciones de difusión transmiten la información como datos, voz o video en un solo
sentido, desde una estación central hacia todas las estaciones remotas en el área de
cobertura, las cuales pueden ser del tipo RO-VSAT (Receive Only VSAT – VSAT
Únicamente de Recepción) permitiendo así disminuir los costos de las mismas. Las
43
aplicaciones interactivas permiten la comunicación en los dos sentidos desde la estación
remota, la información de la estación hub a la estación remota es conocida como
“Outbound” (OB) y la información de la estación remota a la estación hub como “Inbound”
(IB) [27].
Los sistemas VSAT suelen operar en las bandas C y Ku, y la decisión sobre la banda
específica dependerá de las características del sistema, la disponibilidad satelital y las
normativas de cada país. Para un uso eficiente de los recursos, es necesario la
implementación de protocolos de acceso, que permitan la correcta asignación de los
recursos disponibles. Un protocolo muy usado corresponde a TDM/TDMA, en donde el hub
adiciona información de control (como el direccionamiento) a los datos dirigidos a cada
estación remota y los multiplexa en una sola portadora TDM para el Outbound. Mientras
que el Inbound usa TDMA para el acceso compartido a una o varias portadoras en función
del tamaño de la red, la asignación de los recursos del Inbound puede darse mediante
diversos protocolos de contención (como ALOHA, S-ALOHA, DA-TDMA) en base al tipo de
aplicaciones que ofrece la red [27].
Otro protocolo de acceso a la red corresponde a SCPC/DAMA (Single Channel Per Carrier
/ Demand Assigned Multiple Access - Un Solo Canal por Portadora / Acceso Múltiple con
Asignación por Demanda), el cual permite que cada canal use un par de portadoras (una
para el Outbound y otra para el Inbound), este protocolo es usado comúnmente para
servicios de voz. Para su operación es necesario una estación de monitoreo y control de la
red encargada de asignar y liberar los recursos (canales de tráfico) para establecer la
comunicación entre las estaciones remotas, una vez que los canales se encuentran
establecidos no se requiere la participación de esta estación.
En la Figura 1.9 se puede observar la asignación de recursos para los 2 protocolos de
acceso a la red.
Figura 1.9. Protocolos TDM/TDMA y SCPC/DAMA [27]
44
Para evitar errores en la información recibida, se emplean códigos de canal que permitan
detectar y corregir dichos errores, la selección sobre el código de canal dependerá del tipo
de información y la implementación de calidad de servicio en la red, tomando en
consideración que un mejor código de canal permite reducir el nivel de potencia de
transmisión necesario, dando lugar al parámetro conocido como la ganancia de
codificación. El tipo de modulación de la información y el esquema de codificación de canal
pueden ser seleccionado por el IDU en función de las características del enlace y el tipo de
información, en general se modifican estos parámetros en conjunto, por lo que se conoce
comúnmente como un cambio en el “MODCOD”. Una modulación de mayor nivel permite
el intercambio de un mayor volumen de información; sin embargo, se requiere de un mayor
nivel de potencia para mantener fijo el valor del BER [13].
Dado que los equipos del usuario emplean diversos protocolos como X.25, BISYNC o
TCP/IP, es necesario contar con un protocolo intermedio entre el protocolo de acceso a la
red y los protocolos del usuario, este protocolo es conocido como el “Protocolo Gateway
de Comunicación”, encargado del direccionamiento, enrutamiento, conmutación y control
de flujo de la información. La implementación de este protocolo permite optimizar el uso de
las redes satelitales, evitando la degradación en la calidad de la información debido a la
latencia o desvanecimiento de las señales [27].
1.3.6 SkyEdge II – GILAT
En el Ecuador se dispone únicamente de 2 estaciones terrenas, las mismas que
pertenecen a la empresa CNT (Corporación Nacional de Telecomunicaciones), una
ubicada en la ciudad de Quito y otra en Guayaquil; sin embargo, para el presente estudio
no se considera la estación terrena en la ciudad de Guayaquil, ya que ésta no cuenta con
un hub que permita la integración de un sistema VSAT.
La estación terrena ubicada en Quito cuenta con dos hub VSAT que permitirían el
despliegue del sistema satelital emergente; de los dos hub disponibles, uno pertenece a la
empresa HUGUES y otro a la empresa GILAT, no obstante, para el sistema emergente no
se considera el hub HUGUES, ya que este únicamente maneja bajas capacidades,
limitando la implementación de servicios en tiempo real.
SkyEdge II (SE II) es una solución VSAT de comunicaciones satelitales de dos vías
perteneciente a la empresa GILAT. Actualmente SE II es una de las soluciones VSAT
ofertadas en Ecuador por la empresa DIGITEC S.A., e incluso ya forma parte de la
plataforma de comunicaciones de la empresa CNT. Por esta razón se considera a SE II
45
como una solución viable para la inclusión del sistema emergente en el país, aprovechando
la infraestructura ya disponible.
Una red SE II está compuesta de 3 elementos principales, los cuales son: El hub, el
conjunto de VSATs y el NMS (Network Management System - Sistema de Gestión de Red).
Para la definición de cada elemento es necesario primero definir el flujo de información en
Inbound y Outbound.
1.3.6.1 Outbound DVB-S2 (Digital Video Broadcasting by Satellite 2 –
Radiodifusión Digital de Video por Satélite 2)
Los sistemas SE II emplean un estándar propietario basado en el estándar DVB-S2 para
la transmisión del Outbound, dicho estándar permite una alta flexibilidad en torno a las
aplicaciones (transmisión de TV, aplicaciones interactivas, troncales de internet, etc.) y
además permite obtener mejoras en la eficiencia espectral, gracias a los esquemas de
modulación de alto nivel, codificaciones más fuertes y eficientes, y principalmente a la
posibilidad de modificar estos 2 parámetros (MODCOD) en función de las condiciones de
propagación percibidas por las estaciones remotas, este método es conocido como ACM
(Adaptive Coding and Modulation – Modulación y Codificación Adaptativa); sin embargo,
es posible también operar con un MODCOD fijo calculado para la estación en peores
condiciones, método conocido como CCM (Constant Coding and Modulation – Modulación
y Codificación Constante) [28].
Este estándar permite el uso de transpondedores de 36 MHz y 54 MHz utilizando esquemas
de modulación QPSK, 8PSK, 16APSK y 32APSK, en combinación con codificación BCH14
y LDPC15 con diferentes tasas. Dando como resultado las siguientes combinaciones de
MODCOD: QPSK (1/4, 1/3, 2/5, 1/2, 3/5, 2/3, 3/4, 4/5, 5/6, 8/9, 9/10), 8PSK (3/5, 2/3, 3/4,
5/6, 8/9, 9/10), 16APSK (2/3, 3/4, 4/5, 5/6, 8/9, 9/10) y 32APSK (3/4, 4/5, 5/6, 8/9, 9/10).
Las codificaciones más robustas como 1/4 (1 bit de información, 4 bits enviados, 3 bits
redundantes) son usadas para el envío de la información de control, mientras que las
codificaciones más eficientes como 9/10 (9 bits de información, 10 bits enviados, 1 bit
redundante) son usadas para el envío de un mayor volumen de información de los usuarios.
14 BCH (Bose, Chaudhuri, Hocquenghem) forma parte de la larga clase de códigos de corrección de errores cíclicos. 15 LDPC (Low Density Parity Code - Verificación de Paridad de Baja Densidad) presenta excelentes habilidades para la corrección de errores, se encuentra presente en redes de difusión de video digital, 10 Gigabit Ethernet, 802.11, entre otros [17].
46
Tabla 1.5. Es/N0 requerido según el MODCOD y el tipo de trama para el Outbound [29]
Tramas Normales Tramas Cortas
Modulación FEC Es/N0 Mínimo [dB] FEC Es/N0 Mínimo [dB]
QPSK
1/4 -1.4 1/4 -0.4
1/3 -0.54 1/3 0
2/5 0.1 2/5 0.1
1/2 1.5 1/2 1.5
3/5 2.7 3/5 2.9
2/3 3.6 2/3 3.8
3/4 4.5 3/4 4.7
4/5 5.2 4/5 5.4
5/6 5.7 5/6 5.9
8/9 6.8 8/9 7.3
9/10 7
8PSK
3/5 6 3/5 7
2/3 7 2/3 7.5
3/4 8.3 3/4 8.8
5/6 10.3 5/6 10.8
8/9 11.5 8/9 12
9/10 11.8
16APSK
2/3 10.2 2/3 10.5
3/4 11.4 3/4 11.7
4/5 12.2 4/5 12.5
5/6 12.8 5/6 13.1
8/9 14.1 8/9 14.4
9/10 14.4
32APSK
3/4 14.3 3/4 14.7
4/5 15.5 4/5 15.2
5/6 16.5 5/6 16.7
8/9 18.5 8/9 17.7
9/10 18.9
47
El proceso de adaptación de la información para su envío es el siguiente [29]:
- La información IP a ser enviada en el Outbound debe primero codificarse mediante
el protocolo de Backbone (protocolo de capa 3 empleado por los sistemas
satelitales SE II).
- Se añade la información del MODCOD requerido en la cabecera del paquete de
Backbone.
- Se codifican los paquetes de Backbone en tramas MPEG2 (Moving Picture Experts
Group 2 – Grupo de Expertos en Imágenes en Movimiento 2) y se agrupan las
tramas con el mismo MODCOD en BBF (Band Base Frames - Tramas de Banda
Base).
- Se envían al modulador las tramas de banda base de la más robusta a la más
eficiente, con la finalidad de que las tramas puedan ser llenadas al máximo.
- Se codifican y modulan estas tramas y por último se eleva la frecuencia de la
información según la banda seleccionada (banda C o Ku).
- Para la recepción de la información contenida en el Outbound se realiza el proceso
contrario.
Otra característica del estándar corresponde al entramado normal de 8000 bytes y
entramado corto de 2000 bytes de transporte MPEG, siendo preferido el entramado corto
en los sistemas SE II, gracias a la mayor eficiencia de empaquetado y menor retraso de
procesamiento de las tramas. Igualmente, para evitar el uso ineficiente de los recursos es
posible dividir a los paquetes en tramas adyacentes, llegando así a la máxima capacidad
de la trama. Las características de modulación, codificación y entramado del estándar DVB-
S2, en conjunto con la programación avanzada de envío de paquetes en función del QoS
(Quality of Service – Calidad de Servicio), permiten un gran desempeño por parte de los
sistemas SE II.
Uno de los parámetros principales para el diseño del sistema satelital corresponde al Es/N0,
el cual depende del MODCOD definido, en la Tabla 1.5 se detallan los valores mínimos
para tramas cortas y tramas normales.
1.3.6.2 Inbound DVB-RCS (Digital Video Broadcasting Return Channel
Satellite – Radiodifusión Digital de Video Canal de Retorno de
Satélite)
El Inbound de los sistemas SE II se basa en el estándar DVB-RCS, el cual se concentra en
la definición de las capas física y MAC (Medium Access Control – Control de Acceso al
48
Medio) del segmento satelital, es decir que se encarga de la interfaz aérea, esquema de
acceso, ingreso a la red, solicitud y distribución de capacidad, sincronización, etc.
El esquema de acceso se basa en la reservación MF-TDMA (Multi Frequency TDMA –
TDMA Multi Frecuencia), en la cual se asignan espacios de tiempo en determinada
portadora para la transmisión de ráfagas desde cada VSAT, dicha asignación se resume
en un plan de tiempo-frecuencia que será transmitido dentro de la portadora DVB-S2 en el
Outbound cada 10 segundos [29].
El proceso de adaptación de la información para su envío es el siguiente [29]:
- La información IP a ser enviada deberá primero codificarse de acuerdo al protocolo
de Backbone;
- Posteriormente se dividen los paquetes de Backbone en celdas ATM
(Asynchronous Transfer Mode – Modo de Transferencia Asíncrona) con una
longitud fija de 48 bytes, mediante el uso de la AAL5 (ATM Adaptation Layer 5 -
Capa de Adaptación ATM 5);
- Se dispone un grupo de 2 o 4 celdas ATM en una ráfaga de tráfico para ser enviada
a través de TDMA en una de las portadoras disponibles;
- Se aplica la codificación y modulación a la información contenida en las ráfagas de
tráfico de acuerdo al MODCOD correspondiente y por último se eleva la frecuencia
de esta información según la banda seleccionada (banda C o Ku);
- Para la recepción de la información contenida en el Inbound se realiza el proceso
contrario.
Se definen tres tipos de ráfagas que permiten la comunicación: ráfaga TRF (Traffic -
Tráfico), ráfaga CSC (Common Signal Channel – Canal de Señalización Común) y ráfaga
SYNC (Synchronisation - Sincronización). El tamaño del espacio de tiempo asignado
dependerá del tipo de ráfaga que será transmitida y su posición será asignada con relación
a una trama o super trama.
Para las ráfagas TRF se emplea como formato las celdas ATM, agrupando 1,2 o 4 celdas
ATM por ráfaga TRF. La prioridad y orden de las celdas se decide en base a los parámetros
de QoS del sistema.
Las ráfagas de SYNC permiten la adquisición y mantenimiento del sincronismo, solicitudes
de capacidad y envío de información del C/N recibido del Outbound. La solicitud de
capacidad dependerá de los requerimientos de las aplicaciones ejecutadas, una llamada
de VoIP (Voice over IP – Voz sobre IP) requiere de una capacidad fija para su operación,
49
mientras que otros servicios podrían optar por una capacidad dinámica, la misma que
dependerá del QoS, el MIR (Maximum Information Rate – Tasa Máxima de Información),
el CIR (Committed Information Rate – Tasa de Información Comprometida) y el nivel de
uso de los recursos por otros servicios.
La ráfaga CSC es usada para la conexión inicial de las estaciones remotas a la red, para
lo cual primero recibe información básica de la red a través del Outbound y posteriormente
solicita la información necesaria para su operación a través de las ráfagas CSC enviadas
en modo de contención [29].
En la capa física se describen los MODCOD, tasas de símbolos por segundo, los tipos de
portadora y el uso de canales adaptativos. Los MODCOD permitidos son: QPSK (1/2, 2/3,
3/4, 4/5, 6/7) y 8PSK (2/3, 3/4, 4/5, 6/7), donde se emplea como esquema de codificación
Turbo Code. Se dispone también de una gran variedad de tasas de símbolos que van desde
128 ksps hasta 2560 ksps. La combinación entre el canal de frecuencia, el MODCOD y la
tasa de símbolo se denomina CT (Carrier Type – Tipo de Portadora) y se configuran como
parte inicial del sistema en función de las consideraciones de tráfico de la red.
Para mantener un alto rendimiento en la operación de la red, es necesario que las
estaciones remotas puedan emplear técnicas adaptativas de ICM (Inbound Coding and
Modulation – Codificación y Modulación de Inbound) así también como el uso de canales
dinámicos16.
Se definen varias dimensiones de ICM en función de los parámetros que serán
modificados, algunos de dichos parámetros son: tasa de símbolos, MODCOD y control de
potencia del enlace de subida. Es importante recalcar que en ICM se realiza un cambio del
CT en el que se transmite (CTs previamente configurados) a diferencia de ACM en donde
se modifican las características de transmisión de una sola portadora [28].
Al igual en el Outbound es necesario definir el mínimo Es/N0 requerido para el cálculo del
enlace, en la siguiente tabla se describen los valores de Es/N0 para ráfagas de tráfico con
2 celdas ATM.
16 Canales que pueden dividirse en sub-canales con menor tasa de símbolos y el mismo MODCOD, permitiendo así la transmisión simultánea de un mayor número de estaciones remotas sin afectar a los usuarios críticos.
50
Tabla 1.6. Es/N0 requerido según el MODCOD para Inbound [29]
Modulación FEC Es/N0 Mínimo [dB]
QPSK
1/2 4.5
2/3 5.9
3/4 6.8
4/5 7.1
6/7 8.2
8PSK
2/3 10.7
3/4 11.9
4/5 12.7
6/7 13.4
1.3.6.3 Hub SE II
El hub es el elemento central de la red encargado de concentrar el tráfico satelital, controlar
y monitorear el funcionamiento de la red y sirve como punto de conexión con las redes
terrestres. Para su óptimo funcionamiento el hub cuenta con una arquitectura modular que
permite el crecimiento de la red en base a las necesidades de los clientes. En la Figura
1.10 y Figura 1.11 se pueden ver los componentes principales del hub tanto para Inbound
y Outbound, dichos componentes se detallan a continuación [28]:
- Servidor QoS: Impone las políticas de tráfico definidas por el administrador de la
red, recibe los paquetes del router de borde, los procesa y envía al DPS. Actúa en
el Outbound.
- DPS (Data Protocolo Server - Servidor de Protocolo de Datos): El DPS actúa
como router de borde entre las redes satelitales y redes terrestres, se encarga de
la codificación/decodificación de los paquetes de Backbone desde/hacia paquetes
IP y separa el tráfico en función de su tipo y protocolo. Actúa en el Inbound y
Outbound.
- IPM (IP Encapsulator and Modulator - Encapsulador y Modulador de IP): Se
encarga del encapsulamiento de los paquetes de Backbone (provenientes del DPS)
en tramas de acuerdo al flujo de transporte MPEG2. Reúne las tramas MPEG2 con
el mismo MODCOD para codificarlas y modularlas; envía la información ya
modulada y codificada al RFT. Actúa en el Outbound.
- RFT (Radio Frequency Transceiver - Transceptor de Radio Frecuencia):
Permite emplear la misma antena y ODU para la transmisión (Outbound) y
51
recepción (Inbound) de la información, por lo que se encuentra en un punto
intermedio entre el ODU y el bastidor principal que aloja al resto de equipos.
- MCR (Multi-Channel Receiver - Receptor de Canal Múltiple): Se encarga de
soportar el esquema de acceso DVB-RCS del Inbound, permitiendo una operación
en modo de canal único o canales múltiples (hasta 4 CTs por MCR). Dentro de sus
funciones se encuentran la demodulación y decodificación de la información
recibida del RFT, adición de información de recepción a cada ráfaga de datos
(tiempo, potencia, frecuencia) y el envío de esta información hacia el HSP. Actúa
en el Inbound.
- HSP (Hub Satellite Processor - Procesador Satelital del Hub): Reordena los
TRFs recibidos desde el MCR y desencapsula las celdas ATM para reconstruir los
paquetes de Backbone y enviarlos hacia el DPS. También es responsable de la
asignación de recursos y selección del MODCOD en base a las solicitudes
realizadas por las estaciones remotas y la potencia de la señal recibida por los
mismos, dicha información de asignaciones es enviada hacia el IPM para su
inclusión en el flujo de transporte MPEG2. Actúa en el Inbound.
- NMS (Network Management System - Sistema de Gestión de Red): Se encarga
de proporcionar a los administradores el monitoreo central y control de toda su red
de comunicaciones, permitiendo la modificación y descarga de los archivos de
configuración del hub y las estaciones remotas. Algunas de las ventajas del NMS
son la flexibilidad de control por varios clientes, respetando cada uno de los SLAs
establecidos y la facilidad de control y monitoreo gracias a la intuitiva y clara GUI
(Graphical User Interface - Interfaz Gráfica de Usuario).
Figura 1.10. Diagrama de bloques del Hub SkyEdge II – Inbound [29]
52
Figura 1.11. Diagrama de bloques del Hub SkyEdge II – Outbound [29]
1.3.6.4 Terminales VSAT SE II
Existen varios modelos de terminales VSAT SE II, y todas ellos pueden trabajar con el
mismo hub, lo que permite una gran flexibilidad en el funcionamiento de la red. Para el
presente estudio se plantea el uso del terminal VSAT SE II Extend, ya que esta permite
aplicaciones interactivas IP de banda ancha a través de sus dos puertos de red, algunas
de sus principales características son las siguientes:
- Recepción (Outbound): Funciona en base al estándar DVB-S/DVB-S2 CCM y
ACM; tasa de transmisión 107 kbps – 135 Mbps; método de acceso TDM.
- Transmisión (Inbound): Funciona en base al estándar DVB-RCS; tasas de
transmisión hasta 4 Mbps; método de acceso MF-TDMA.
- Funcionamiento Interno: Incluye QoS; posee 2 conexiones de red RJ-45 y 1
conexión de consola; no requiere alojamiento en bastidor.
Adicionalmente se incluye en el Anexo I la hoja de datos de la VSAT SE II Extend, para
mayor información sobre las capacidades y requerimientos de funcionamiento. Los
elementos principales de un terminal VSAT se muestran en la Figura 1.12 y se detallan a
continuación:
Figura 1.12. Diagrama de bloques de la VSAT SkyEdge II [29]
53
- NIC (Network Interface Controller - Tarjeta de Red): Es la encargada de
conectarse a la red LAN del cliente, por lo que intercambia paquetes entre la LAN
y el DRPP.
- DRPP (Data Remote Protocol Processor - Procesador Remoto de Protocolo
de Datos): Se encarga de la clasificación y encolamiento de los paquetes IP
provenientes de la NIC, y de la codificación/decodificación de los paquetes de
Backbone desde/hacia paquetes IP.
- RSP (Remote Satellite Processor - Procesador Satelital Remoto): En el Inbound
se encarga de fragmentar los paquetes de Backbone en celdas ATM y
posteriormente asignar las celdas en los slots de tiempo TRF para enviarlos al
modulador. En el Outbound desencapsula los paquetes de Backbone de las tramas
MPEG2 recibidas desde el modulador.
- Modulador: Se encarga de la modulación y demodulación de la información en
base al estándar DVB-RCS y DVB-S2 respectivamente.
En el Anexo II se incluye un diagrama de los componentes que conforman una estación
remota, en el cual se incluye un diagrama de bloques de los elementos internos al terminal
VSAT y un diagrama de los elementos que conforman el ODU.
La administración local de los terminales VSAT se realiza a través de una conexión de
consola o una interfaz GUI, estas herramientas permiten la obtención de información
prioritaria como el direccionamiento IP y MAC, versiones de los componentes, uso del CPU,
Eb/N0, número de paquetes transmitidos y recibidos, entre otros parámetros que permiten
evaluar el desempeño del terminal. En cambio, la configuración de los terminales para su
operación en la red se realiza desde el NMS a través del enlace satelital.
Algunas de las ventajas del uso de sistemas SE II son las siguientes:
- El hub SE II permite implementar redundancia del tipo 1+1 ó N+1 para sus
componentes principales, lo que aumenta la confiabilidad del sistema.
- Incluye mecanismos de QoS para satisfacer los requerimientos de los clientes.
- Implementación de mecanismos de modulación y codificación adaptativa que
mejoran la eficiencia del sistema.
- Optimización para tráfico IP.
- Alta capacidad para redes de gran tamaño.
- Posibilidad de crecimiento en función de los requerimientos de los clientes.
- Mejora en el envío de tráfico de control a través de técnicas de piggybacking.
54
1.3.7 Herramientas de dimensionamiento de Sistemas VSAT
Con la finalidad de optimizar el diseño del sistema satelital VSAT, se emplea la herramienta
de diseño propuesta por parte de la empresa DIGITEC S.A., dicha herramienta permite
dimensionar la red para obtener una estimación de la capacidad satelital (Ancho de Banda)
y los requerimientos de hardware (componentes de hub y del remoto) para cumplir con las
necesidades de los clientes. La herramienta a ser usada corresponde al “SE II Network
Design Tool” versión 6.3 de marzo de 2016 desarrollada por GILAT Satellite Network en
hojas de cálculo de Excel mediante el uso de macros.
Los requisitos previos para el uso de la herramienta son el número de terminales VSAT,
perfiles de tráfico, tasas de compartición, topología de la red, características de los
servicios (por ejemplo el tráfico y líneas para servicio de VoIP), tipos de portadora,
MODCOD y tasa de símbolos para Inbound y Outbound. Como resultado se obtienen las
tasas de transmisión de datos, la eficiencia de uso de los recursos, número de portadoras
necesarias para el Inbound y el ancho de banda de la portadora de Outbound.
El uso en conjunto de la herramienta de diseño y el cálculo del enlace permite obtener el
mejor diseño para determinados requerimientos del cliente. En el Anexo III se presentan
algunas capturas de pantalla y explicaciones de la herramienta de diseño; sin embargo, el
detalle de su funcionamiento interno no forma parte del presente estudio.
1.3.8 Equipos de medición
Con la finalidad de obtener una medición de las capacidades de la red satelital VSAT
actualmente disponible en el país, se emplea el equipo HST-3000 Handheld Services
Tester, equipo utilizado por el personal de la empresa DIGITEC S.A.; algunas de las
características y capacidades del HST 3000 [30]:
- Generación de tráfico con ciertos parámetros definidos (uso de ancho de banda,
tipo de trama, longitud de trama), así también como el análisis del rendimiento del
enlace ante la presencia de dicho tráfico.
- Filtrado del tráfico recibido.
- Verificación de conectividad extremo a extremo.
- Nivel de utilización del enlace y verificación del Throughput.
- Soporte en capa 3, a través de la transmisión y análisis de tráfico IPv4 e IPv6.
- Identificación de problemas en interfaces defectuosas.
- Cuenta con 2 puertos RJ-45 y 2 puertos ópticos.
Para el presente estudio se empleará la funcionalidad de verificación del enlace, la misma
que permite determinar con exactitud la tasa de transmisión. Para lo cual se conecta al
55
HST-3000 como un equipo intermedio capaz de capturar el tráfico que circula a través del
mismo y determinar la tasa de transmisión a la entrada de cada puerto (1 puerto conectado
al terminal VSAT permitirá medir la tasa de transmisión de descarga y 1 puerto conectado
a una computadora permitirá medir la tasa de transmisión de carga).
La prueba de verificación del enlace permite obtener información sobre: el tamaño mínimo,
máximo y medio de las tramas; el tamaño mínimo, máximo y medio de los paquetes; tasa
de transmisión en capa 1, 2 y 3; entre otra información que permitirá analizar el estado de
la red. Para el presente estudio únicamente se tomará en consideración el valor de la tasa
de transmisión en capa 1.
1.3.9 Infraestructura de comunicaciones en plataformas móviles
Dado las necesidades de comunicación por parte de los organismos de respuesta tras un
evento adverso, es necesario contar con sistemas de comunicaciones emergentes sobre
plataformas móviles, facilitando así su ubicación estratégica para la operación.
Actualmente el país no cuenta con sistemas de este tipo y lo más similar corresponde a las
Unidades de Policía Comunitaria (UPC) móvil de la Policía Nacional, los cuales cuentan
con espacio para personal, equipos de video vigilancia (cámara 360° y monitores),
computadoras, generador eléctrico, tomacorriente y acceso a internet. Con estas
instalaciones es posible que la policía pueda dar socorro a la ciudadanía en zonas críticas
del país. Sin embargo, la comunicación entre el personal de estas unidades y otros
organismos de respuesta es limitada y puede verse interrumpida en situaciones adversas,
ya que estos vehículos emplean los sistemas de radio de dos vías y conexión a internet a
través de redes celulares como medios de comunicación, y como fue expresado
anteriormente, estos sistemas no cumplen de forma eficiente los requerimientos de un
sistema de comunicaciones emergente.
56
2. METODOLOGÍA
El presente estudio se basa en una investigación aplicada para contrarrestar las
deficiencias de comunicaciones entre los organismos de respuesta, tras un evento adverso.
Para lo cual se recopila la información de libros de texto y artículos especializados en el
diseño y funcionamiento de sistemas satelitales, acciones y requerimientos en situaciones
de desastre y elaboración de proyectos de telecomunicaciones; adicionalmente se cuenta
con el soporte por parte de la empresa DIGITEC S.A., la cual facilitará la información
técnica sobre equipos y proveedores satelitales, y permitirá la ejecución de pruebas del
enlace satelital.
Para la elaboración del proyecto se establecen las siguientes 4 fases:
- Definición del cliente o usuario del sistema.
- Definición de requerimientos.
- Diseño del enlace satelital.
- Diseño de la plataforma móvil.
2.1 Cliente del sistema emergente
Con la finalidad de reunir todos los requerimientos del sistema, es necesario primero
establecer la o las instituciones que harán uso del mismo. Para lo cual, se prestará especial
atención al Servicio Integrado de Seguridad ECU 911, el mismo que fue definido en [23]
como una “… herramienta integradora de los servicios de emergencia que prestan los:
Cuerpos de Bomberos, las Fuerzas Armadas, la Policía Nacional e instituciones que
conforman el Sistema Nacional de Salud” y que desarrolla las siguientes actividades: “…
asistencia en emergencias de salud, de seguridad ciudadana, de extinción de incendios y
rescate, riesgos de origen natural y antrópico; y otros que pongan en riesgo la vida y
seguridad de las personas, comunidades, pueblos, nacionalidades y colectivos”.
Para cumplir con sus objetivos, es necesario el trabajo en conjunto por parte de varias
instituciones, entre las cuales se encuentran:
- Ministerio del Interior (Policía Nacional).
- Ministerio de Defensa Nacional (Fuerzas Armadas).
- Ministerio de Justicia, Derechos Humanos y Cultos.
- Ministerio de Relaciones Exteriores y Movilidad Humana.
- Ministerio de Telecomunicaciones y de la Sociedad de la Información.
- Ministerio de Salud Pública.
- Agencia Nacional de Tránsito.
57
- Instituto Ecuatoriano de Seguridad Social.
- Secretaría de Gestión de Riesgos.
- Cruz Roja Ecuatoriana.
- Cuerpo de Bomberos.
- Gobiernos Autónomos Descentralizados.
Gracias a que el ECU 911 tiene como miembros a todas estas instituciones, se puede
facilitar y efectivizar la toma de decisiones por parte de las autoridades, ya que se dispone
de una visión global al compartir información crítica entre las instituciones y organismos de
respuesta. Cada institución presenta un aporte para el Sistema Integrado de Seguridad
ECU 911, dando como resultado una cobertura de cerca del 90% de la población del país,
a través de centros zonales, locales y 1 sala de operaciones [23]; esto ha permitido la
reducción en la delincuencia, el aumento en la eficiencia de uso de recursos (ambulancias,
patrullas e incluso personal) y una mejora en la respuesta a situaciones de emergencia y
desastre.
Debido a la importancia en el cumplimiento de sus objetivos, el ECU 911 cuenta con una
sólida infraestructura tecnológica que le permite atender en forma ininterrumpida cualquier
requerimiento ante un evento adverso. Esta infraestructura permite la recepción de alertas
a través de la RTPC, la red de telefonía celular, sistemas de radio de 2 vías y equipos
periféricos; toda información recibida es evaluada por personal de las diferentes
instituciones.
La plataforma tecnológica del ECU 911, permite la integración de los sistemas de
comunicaciones de las diferentes instituciones en un solo centro de datos, y al mismo
tiempo permite compartir dicha información entre las instituciones pertenecientes a los
centros zonales y locales. Esta plataforma integra al sistema de radio de 2 vías VHF de la
Secretaría de Gestión de Riesgos; radio de 2 vías UHF del Cuerpo de Bomberos y Cruz
Roja Ecuatoriana; y el sistema troncalizado de las Fuerzas Armadas, Policía Nacional y
Agencia Nacional de Tránsito [23] como se indica en la Figura 2.1.
Una vez explicadas las funciones y objetivos del ECU 911, es posible establecer a esta
institución como el principal cliente para el sistema de comunicaciones satelital emergente,
tomando en consideración la conexión a la plataforma tecnológica a través de estaciones
remotas VSAT en los centros locales y zonales. Sin embargo, el dimensionamiento de la
red tomará en consideración un mayor número de estaciones remotas, permitiendo así la
conexión de otras instituciones.
58
Figura 2.1. Conexión de Sistemas en plataforma tecnológica ECU 911 [23]
2.2 Requerimientos
Un sistema de comunicaciones eficiente deberá cumplir con una serie de requerimientos
que pueden ser clasificados en: requerimientos de servicios, requerimientos de
funcionamiento y requerimientos de capacidad.
2.2.1 Requerimientos de Servicios
Es necesario establecer los principales servicios que serán usados en situaciones de
emergencia, los mismos que deberán ser considerados para el diseño del sistema
emergente, estos servicios pueden verse en la Tabla 2.1.
Para ofrecer estos servicios, actualmente en el país se emplea las siguientes redes:
- RTPC.
- RDSI.
- Sistemas de radio de 2 vías (normal y troncalizado).
- Redes de telefonía celular.
- Internet a través de redes inalámbricas, redes de cobre y redes de fibra óptica.
Siendo el internet la principal red de convergencia de estos servicios, y por lo tanto dando
un elevado nivel de importancia a los servicios IP [2], por esta razón se decide trabajar con
aplicaciones que se comuniquen a través del protocolo IP.
59
Tabla 2.1. Principales servicios en situaciones de emergencia [3]
Servicio Tipos
Comunicación de voz
Uno a Uno
Uno a Varios
Difusión
Mensajes de texto
Uno a Uno
Uno a Varios
Difusión
Telemetría Medición de Sensores
Interacción con bases de datos Modificación en registros
Consulta de registros
Transferencia de ficheros de texto Informes
Boletines
Contenido audiovisual Audio y video en tiempo real y diferido
Descarga / Envío de imágenes
Acceso a servicios web
Acceso a internet
Acceso a la intranet
Navegación web
Interactivos Determinación de Posición en tiempo real
2.2.2 Requerimientos de funcionamiento
Es importante considerar los requisitos que deberán cumplir los sistemas de
comunicaciones en situaciones de emergencia, para responder de forma eficiente sin
importar el nivel y tipo de evento adverso:
- Estandarización: Es necesario estandarizar los protocolos y el uso del espectro a
nivel nacional e internacional, tanto en los sistemas de prevención como de
respuesta. El uso de sistemas con estándares comunes facilita el trabajo entre
varias organizaciones y reduce el tiempo de procesamiento de la información,
permitiendo así un mayor desempeño por parte de los tomadores de decisiones.
- Interoperabilidad: La interoperabilidad debe estar presente en 2 niveles del sistema
de comunicaciones emergentes, estos son la interoperabilidad de servicios que
permite la transferencia de información útil entre redes que ofrecen un diferente
servicio; y la interoperabilidad de protocolos.
60
- Seguridad: Es necesario considerar que en los sistemas de telecomunicaciones
emergentes se envía información sensible, la cual no deberá ser recibida por
usuarios sin autorización, por lo que se requiere asegurar la confidencialidad de
dicha información. Adicionalmente, para evitar el uso incorrecto de los recursos de
telecomunicaciones en emergencias, es necesario implementar sistemas de
autenticación que permitan limitar el uso de estos según la categorización del
evento adverso.
- Priorización del Tráfico: Toda información que se intercambia durante un evento
adverso tiene un alto grado de importancia, sin embargo, es necesario definir ciertos
niveles de prioridad en función del tipo de información y la autoridad que lo envía.
Es también necesario que se disponga de la posibilidad de establecer
comunicaciones del tipo unicast, multicast o broadcast según los requerimientos
establecidos por las respectivas autoridades.
- Robustez: Los daños producidos tras la ocurrencia de un evento adverso, pueden
afectar el funcionamiento de los sistemas de telecomunicaciones de forma
inmediata o en un futuro, por esta razón es necesario contar con sistemas
emergentes robustos que soporten la afectación inicial y puedan operar en
condiciones poco favorables.
- Redundancia: Considerando la importancia de los sistemas de comunicación
emergentes, es necesario poder reestablecer el funcionamiento del sistema tras
cualquier posible fallo, por esta razón se implementan sistemas redundantes que
mantengan la continuidad de las comunicaciones. La redundancia se implementa
principalmente en los equipos del núcleo de la red.
- Movilidad: Durante la etapa de respuesta y rescate es necesario que los equipos
que operan en territorio cuenten con un sistema que permita la comunicación entre
ellos y con los Centros de Operaciones de Emergencias (encargados de la
recolección de información y toma de decisiones).
- Fácil implementación: Es necesario que la instalación y puesta en operación de los
sistemas emergentes sea fácil y rápida, esto permite utilizar dichos sistemas
inmediatamente tras cualquier evento adverso y así reducir el tiempo necesario
para la toma de decisiones durante las operaciones de respuesta.
- Disponibilidad: La disponibilidad indica la probabilidad de que un sistema se
encuentre operando de forma normal cuando se lo requiera y se expresa como el
porcentaje de tiempo que el sistema se encuentra activo durante el año. Se
considera una disponibilidad de 99.8%, equivalente a un total de 17.52 horas
61
anuales de ausencia de servicio, este valor es calculado siguiendo la metodología
expuesta en [31].
2.2.3 Requerimientos de Capacidad
Ya que se trabaja con un sistema emergente, el cual deberá operar en escasas situaciones,
es necesario considerar correctamente los servicios ejecutados, su simultaneidad y
calidad, de tal forma que se obtenga la mejor relación costo-beneficio.
Para realizar el diseño del sistema se establecerán las siguientes suposiciones:
- Con la finalidad de evitar la mala utilización de los recursos, se conformará un único
equipo de comunicaciones encargado de solventar las diversas necesidades de
comunicación del personal de respuesta en territorio, este equipo formará parte del
Comité de Operaciones de Emergencia instalado en territorio [8].
- El equipo de comunicaciones en sitio dispondrá de una capacidad mínima y máxima
(CIR y MIR) que será repartida entre los dispositivos que se encuentren conectados
al sistema de comunicaciones emergentes.
- Se considera que el equipo de comunicaciones dispondrá de los siguientes
recursos tecnológicos para establecer las comunicaciones: computadoras
portátiles, teléfonos móviles, cámaras IP y equipos de radio portátiles17.
- El sistema emergente será usado exclusivamente para el intercambio de
información relevante, asignación de tareas al personal de respuesta y
actualización del estado de emergencia.
- No se realizará distinción entre el volumen de tráfico para la misma aplicación
ejecutada en computadoras portátiles y terminales de telefonía móvil.
- El dimensionamiento del tráfico se realizará a través de la caracterización de las
aplicaciones que permitirán cumplir con los servicios establecidos en la sección
2.2.1, para lo cual se establece la simultaneidad de las aplicaciones ejecutadas
durante la hora pico.
- Se considera un total de 40 terminales VSAT (estaciones remotas) para la red
emergente, para lo cual se establecen las siguientes categorías: terminales fijos en
los centros de operaciones de los organismos de respuesta (32), terminales móviles
para el personal tomador de decisiones en sitio (7) y terminal fijo en la oficina matriz
del ECU 911 (1).
17 Para la conexión con la red del sistema de radio de 2 vías se plantea el uso de la solución IP Site Connect, la cual permite utilizar el internet para ampliar la cobertura del sistema.
62
- Para los terminales móviles y el terminal fijo en la oficina matriz del ECU 911 (8
terminales en total) se considera que hasta 4 terminales podrán operar de forma
simultánea durante la hora pico.
- Para los terminales fijos en centros de operaciones de los organismos de respuesta
(32 terminales) se considera que 8 terminales podrán operar de forma simultánea
durante la hora pico.
2.2.3.1 Dimensionamiento en base a la aplicación
Con la finalidad de establecer la capacidad total necesaria para el funcionamiento del
sistema, se calcularán las capacidades individuales para cada aplicación durante la hora
pico en base a la información expuesta en [32] y [33]; y considerando que al tratarse de un
sistema emergente el objetivo principal es mantener la comunicación aunque exista una
disminución de la calidad del contenido recibido.
- Descarga de Archivos: Se considera que un archivo con texto, tablas e imágenes
tiene un tamaño aproximado de 500 Kbytes, el mismo que deberá ser descargado
en un tiempo máximo de 45 segundos.
J|Y = }00~$��N'qZ}~q'� % 8~�mNq1~)�N' = 88.8�~�R��q� Donde:
o CDA = Capacidad requerida para la aplicación de descarga de archivos [bps].
- Acceso a Páginas Web: Se toma como referencia un tamaño promedio de 320
Kbytes para una página web que incluya texto, imágenes y contenido audiovisual,
y se considera 25 segundos como tiempo máximo para la visualización del
contenido.
JYp� = 320~$��N'q2}~q'� % 8~�mNq1~)�N' = 102.Z~�R��q� Donde:
o CAPW = Capacidad requerida para la aplicación de acceso a páginas web
[bps].
- Correo Electrónico: Se considera un tamaño promedio de 500 Kbytes para un
correo electrónico compuesto por el texto informativo, firmas y archivos adjuntos.
Debido a que el contenido del correo no requiere ser enviado de forma urgente, se
puede establecer un tiempo aproximado de 60 segundos para su envío o recepción.
63
J�� = }00~$��N'q�0~q'� % 8~�mNq1~)�N' = ��.�[~�R��q� Donde:
o CCE = Capacidad requerida para la aplicación de correo electrónico [bps].
- Comunicación de voz a través de internet o radio de 2 vías a través de internet:
Para la eficiente transmisión de la voz a través de internet, es necesario
implementar un códec encargado de la conversión análogo/digital y la compresión
de la señal digital. Debido a la alta calidad de la voz y al bajo ancho de banda que
requiere, se tomara como referencia el códec G.729, el cual establece una
capacidad de 31.2 kbps según lo expuesto en [32].
J<�p = }8~)�N'q > 20~)�N'q20~)�N'q % 8~R��q = 31.2~�R��q� Donde:
o CTIP = Capacidad requerida para la aplicación de telefonía IP [bps].
- Cámara IP de videovigilancia: Debido a la importancia del contenido audiovisual,
puede ser necesario el uso de una cámara IP para el envío de dicho contenido hacia
el centro de control del ECU 911. De acuerdo con [34] para una cámara que opere
a 15 cuadros por segundo en calidad media se requiere de una capacidad
aproximada de 250 kbps.
J��p = 2}0~�R��q� Donde:
o CCIP = Capacidad requerida para la aplicación de cámara IP [bps].
- Videoconferencia: Se considera una llamada con calidad media que maneje un
mínimo de 30 cuadros por segundo, de acuerdo a [32] esta aplicación requiere de
192 kbps sin contar con el 25% de overhead debido a la adición de cabeceras IP.
Por lo que la capacidad total necesaria es:
J�� = 1.2} % 1�2~R��q = 2Z0~�R��q� Donde:
o CVI = Capacidad requerida para la aplicación de videoconferencia [bps].
Es importante recalcar que la capacidad de los servicios de descarga de archivos y acceso
a páginas web se consideran únicamente para el enlace de bajada; y los servicios de correo
64
electrónico, telefonía IP, cámara IP de videovigilancia y videoconferencia se consideran en
el enlace de subida y bajada.
Una vez definida la capacidad necesaria para cada aplicación se establecerá el mínimo
tráfico obligatorio que debe cursar la red durante la hora pico18, en función de la
simultaneidad de las aplicaciones y considerando como prioritarias a las aplicaciones en
tiempo real. Para los terminales móviles se estima que el número de usuarios para cada
aplicación durante la hora pico es el siguiente:
- 2 usuarios en comunicación de voz.
- 1 cámara IP de videovigilancia o 1 usuario en videoconferencia (se considera la
mayor capacidad entre las aplicaciones).
J<� = 2 % J<�p > 1 % J��p
J<� = 2 % 31.2 > 2}0 = 312.Z~�R��q� = 38Z~�R��q�1�~Donde:
o CTM = Capacidad requerida para la operación de los terminales móviles
[bps].
Para los terminales fijos en los centros de operaciones de los organismos de respuesta se
estima que el número de usuarios para cada aplicación durante la hora pico es el siguiente:
- 1 usuarios en comunicación de voz o 1 usuario en videoconferencia (se considera
la mayor capacidad entre las aplicaciones).
J<� = 1 % J�� J<� = 2Z0~R��q J<� = 2}�~R��q~
Donde:
o CTF = Capacidad requerida para la operación de los terminales fijos [bps].
El terminal fijo ubicado en la oficina matriz del ECU 911, requiere como mínimo la misma
capacidad que los terminales móviles, es decir:
J<��� = 38Z~R��q Donde:
18 La red debe asegurar como mínimo la capacidad necesaria para proveer estos servicios, estableciendo la tasa de información comprometida (CIR). 19 Por facilidad se seleccionarán los valores de CTM y CTF múltiplos de 128 kbps
65
o CTECU = Capacidad requerida para la operación del terminal en el ECU-911
[bps].
Los valores de capacidad previamente calculados consideran la ejecución simultánea de
las aplicaciones en tiempo real durante la hora pico; sin embargo, la capacidad del terminal
se puede emplear en diversas aplicaciones en función de las necesidades del personal de
respuesta.
2.2.3.2 Dimensionamiento del enlace satelital
Los valores de CTM, CTF y CTECU definen el CIR requerido para el diseño de la red VSAT; en
cambio para la definición del MIR y la tasa de contención (relación entre el MIR y CIR para
cada VSAT), es necesario emplear la herramienta de dimensionamiento asegurando el
cumplimiento del CIR y el número de terminales simultáneos durante la hora pico. La
información necesaria para la definición de los MODCODs en el Outbound y los tipos de
portadoras en el Inbound se realizarán considerando dos soluciones diferentes
implementadas en el sistema satelital VSAT perteneciente a la empresa CNT, el mismo
que actualmente se encuentra en operación.
- Primera Solución: Establecer un nuevo NS (Network Segment - Segmento de Red)
que se integre al Hub en la estación terrena en la ciudad de Quito.
- Segunda Solución: Incrementar los terminales VSAT en un NS ya en operación.
El planteamiento de estas dos soluciones permite incrementar las posibilidades de
implementar el sistema de comunicaciones emergentes en el país.
2.2.3.2.1 Solución 1 (Segmento de red desde cero)
Se definen dos tipos de perfiles de tráfico para los 40 terminales, TM - Terminales Móviles
(incluye a los terminales del personal en sitio y el terminal ubicado en la oficina matriz del
ECU-911) y TF - Terminales Fijos. En la Figura 2.2 se puede observar la definición de cada
perfil.
Figura 2.2. Definición de los perfiles de tráfico en la herramienta de Sizing
66
La tasa de transmisión y tasa de contención dependerán del MIR deseado y del
cumplimiento con el CIR establecido para la hora pico. Con la información de la Figura 2.2
y el número de terminales simultáneos que se define para cada tipo20, se pueden concluir
los valores de CIR y MIR.
Tabla 2.2. Requerimientos de capacidad del Outbound
Tipo de terminal Número de terminales
Terminales simultáneos
CIR [kbps] MIR [kbps]
Terminales Móviles
7 3 384 768
Terminal Fijo ECU 911
1 1 384 768
Terminales Fijos 32 8 256 512
Tabla 2.3. Requerimientos de capacidad del Inbound
Tipo de terminal Número de terminales
Terminales simultáneos
CIR [kbps] MIR [kbps]
Terminales Móviles
7 3 384 768
Terminal Fijo ECU 911
1 1 384 768
Terminales Fijos 32 8 256 512
De acuerdo a los resultados obtenidos de la herramienta de dimensionamiento, los
parámetros principales que permiten cumplir esta primera solución son los siguientes:
- Inbound:
o 4 tipos de portadora.
o CT1= 512 ksps, 8PSK 6/7, usada el 99.9% del tiempo.
o CT2= 256 ksps, 8 PSK 6/7, corresponde a un canal dinámico del CT1.
o CT3= 128 ksps, 8 PSK 6/7, corresponde a un canal dinámico del CT1.
o CT4= 128 ksps, QPSK 1/2, usada el 0.10% del tiempo, portadora para el
envío de la información de control.
20 El número de terminales simultáneo para cada tipo se establece considerando el posible número de estaciones activas al mismo tiempo durante una situación de emergencia o desastre, teniendo en cuenta la organización jerárquica de los Comités de Operaciones de Emergencia que se establecerían.
67
o Se requiere un total de 5 portadoras (4 CT1 y 1 CT421).
o 15.6% de slots TRF disponibles como reserva (es decir 84.4% de uso de
slots TRF).
o Ancho de banda necesario de 2.612 MHz.
- Outbound:
o MODCOD más eficiente 16APSK 8/9.
o MODCOD típico 16APSK 3/4.
o MODCOD base QPSK 4/5.
o Tasa de transmisión de 1850 kBd.
o 95.37% de uso del OB.
o Ancho de banda necesario de 2.22 MHz.
- Ancho de banda total de 4.832 MHz.
De igual forma se incluye en el Anexo IV la hoja de cálculo con toda la información referente
a esta solución. Un resultado importante al usar la herramienta de dimensionamiento
corresponde al hardware necesario en el hub en función de los requerimientos
establecidos, como se puede ver en la Figura 2.3.
Figura 2.3. Detalle del hardware necesario para la implementación del sistema
Con los requerimientos de hardware y ancho de banda necesarios, se deberá solicitar al
operador de servicios de telecomunicaciones correspondiente, el arrendamiento de la
capacidad satelital y la instalación de los equipos que sean necesarios en la estación
terrena.
2.2.3.2.2 Solución 2 (Adaptación a segmentos de red disponibles)
Tomando en consideración que ya se encuentra implementada en el país una red SE II, se
plantea el uso de una porción de esta para el funcionamiento del sistema emergente, por
21 En función de los requerimientos de los usuarios, el canal CT1 podrá dividirse en sub-canales con las especificaciones de los canales CT2 y CT3, por lo que únicamente se requieren portadoras para CT1 y CT4.
68
lo que inicialmente se definirá el estado actual de esta red. La información detallada a
continuación se refiere a la última actualización del sistema satelital de la CNT, con fecha
21 de febrero de 2018, dicha información fue provista por la empresa DIGITEC S.A.
- La red cuenta con dos segmentos de red (NS3 y NS4) en banda Ku.
- La red se encuentra dimensionada para un total de 174 estaciones remotas en el
NS3 y 326 en el NS4, dando un total de 500 estaciones remotas, considerando un
10% de excedente para un futuro crecimiento de la red.
- Se define 6 perfiles de tráfico (numerados del 1 al 6), los detalles de CIR, MIR, tasa
de compartición y número de terminales VSAT para cada perfil se presentan en la
Tabla 2.4
- El IB y OB del NS3 se transmiten a través del transpondedor K25 del satélite
Eutelsat 117 West A.
- El OB del NS4 se transmite en una portadora saturada en el transpondedor K27 del
satélite Eutelsat 117 West A. Mientras el IB del NS4 se transmite en el
transpondedor K25 del mismo satélite.
- En el Anexo V y en la información desplegada por la página web SATBEAMS se
puede observar la información sobre las bandas de operación y huellas del satélite
Eutelsat 117 West A; mientras que en el Anexo VI se puede observar el plan de
frecuencias para dicho satélite.
Tabla 2.4. CIR y MIR para los perfiles de tráfico
Perfil UL-CIR [kbps]
DL-CIR [kbps]
UL-MIR [kbps]
DL-MIR [kbps]
UL-Simult22
DL-Simult
VSAT NS3
VSAT NS4
1 128 512 1024 2048 1/8 1/4 0 16
2 128 512 512 1024 1/4 1/2 12 0
3 64 256 512 1024 1/8 1/4 80 240
4 64 256 256 512 1/4 1/2 8 0
5 32 128 256 512 1/8 1/4 70 70
6 32 64 128 256 1/4 1/4 4 0
En base a la información sobre la red que actualmente opera la CNT, se plantea la inclusión
de los 40 terminales (cuyo CIR y MIR se establecieron en la Tabla 2.2 y 2.3) con la siguiente
distribución:
22 Se refiere a la tasa de compartición o uso simultáneo de la capacidad expresada en el MIR.
69
Tabla 2.5. Asignación de usuarios en perfiles de tráfico disponibles
Tipo de terminal Número de terminales
Perfil
Terminales Móviles 7 1 o 2
Terminal Fijo ECU 911 1 1 o 2
Terminales Fijos 32 3
Con esta asignación se tiene un aumento en el CIR del enlace de bajada requerido y una
disminución en el CIR del enlace de subida requerido; sin embargo, es necesario
considerar que la presente solución permite la implementación inmediata del sistema en el
país y la operación de los servicios básicos requeridos para un sistema satelital en
situaciones de emergencia y desastre.
El diseño actual del sistema de comunicaciones satelitales de la CNT contempla el uso
completo de los transpondedores K25 y K27, razón por la cual no es posible incrementar
terminales del sistema de comunicaciones emergente a un nuevo perfil de tráfico; sin
embargo, gracias al excedente del 10% en el número de terminales considerados en el
diseño, es posible implementar la presente solución sin generar saturación de la red.
2.3 Diseño del Enlace Satelital (Link Budget)
A continuación, se detalla la información necesaria para realizar el cálculo del enlace
tomando en consideración el uso del satélite Eutelsat 117 West A, en su haz de bada Ku
que apunta hacia Latinoamérica, la ubicación de una estación VSAT en las instalaciones
de la empresa DIGITEC S.A. y la estación Hub ubicada en la Estación Terrena de la CNT
en Quito. Es importante recalcar que se considera la estación terrena de la empresa CNT
ya que actualmente es la única que permite la integración de un sistema VSAT en el país.
Se empleará la metodología expuesta en [15] y en la sección 1.3.5.9 del presente
documento para el diseño del enlace.
La información técnica sobre el satélite, la estación terrena y las estaciones remotas, es
extraída de la hoja de datos de cada elemento; la información sobre ubicaciones, ángulos
de apuntamiento y distancias se toma de la herramienta en línea presentada en la página
de SATBEAMS como se indica en la Figura 2.4, 2.5, 2.6 y 2.7; la información sobre
esquemas de modulación, ancho de banda y tasa de transmisión se toma de la herramienta
de dimensionamiento de la empresa GILAT.
2.3.1 Solución 1 (Segmento de red desde cero)
En la Tabla 2.6 se detalla la información técnica de cada elemento, necesaria para el diseño
del enlace de la solución 1.
70
Tabla 2.6. Parámetros usados para el cálculo del enlace – Solución 1
Satélite Nombre: Eutelsat 117 West A Tipo: Geoestacionario Longitud punto Sub-Satélite: 116.8° O IBO Nominal: -4.9 [dB] OBO Nominal: -3.3 [dB] Rango de posibles transpondedores útiles: Ku25 – Ku40 Polarización UL: Vertical Frecuencias Base UL: 14.00 [GHz] 23 Pico de G/T en UL: 8.6 [dB/K] Densidad de flujo en saturación en UL: -92.5 [dBW/m2] Polarización DL: Horizontal Frecuencia Base DL: 11.70 [GHz]24 PIRE pico en DL: 53.3 [dBW]
Estación VSAT – DIGITEC S.A. Latitud estación VSAT: 0.1597° S Longitud estación VSAT: 78.4777° O Altura sobre el nivel del mar: 2793 [m] Azimuth verdadero: 270.2° Elevación: 45.4° Distancia al satélite: 37423.7 [km] Eficiencia de la antena: 65% Dimensiones de la antena: 1.2 [m] Ganancia de la antena en UL: 43.1 [dBi] Ganancia de la antena en DL: 41.5 [dBi] Potencia del HPA: 2 [W] Temperatura de ruido de antena: 35 [K] Temperatura de ruido de LNA: 65 [K]
Estación Terrena CNT Latitud estación terrena: 0.2741° S Longitud estación terrena: 78.4739° O Altura sobre el nivel del mar: 2557 [m] Azimuth verdadero: 270.3° Elevación: 45.4° Distancia al satélite: 37423.7 [km] Eficiencia de la antena: 65% Dimensiones de la antena: 9 [m] Ganancia de la antena en UL: 60.6 [dBi] Ganancia de la antena en DL: 59 [dBi] Potencia de entrada a la antena: 8 [W]
23 Se toma como referencia una frecuencia general de 14 GHz 24 Se toma como referencia una frecuencia general de 11.7 GHz
71
Temperatura de ruido de antena: 35 [K] Temperatura de ruido del LNA: 65 [K]
Enlace de Subida – Outbound Tasa de Transmisión: 4.533 [Mbps] MODCOD: 16APSK 8/9 Ancho de Banda necesario: 2.22 [MHz] Pérdidas de apuntamiento y rotación de polarización:
1 [dB]
Absorción Atmosférica: 0.28 [dB]25 Pérdidas de alimentación (Feeder Loss): 0 [dB] Factor de Corrección de Aspecto en UL: 2 [dB]
Enlace de Bajada – Outbound Tasa de Transmisión: 4.533 [Mbps] MODCOD: 16APSK 8/9 Ancho de Banda necesario: 2.22 [MHz] Pérdidas de apuntamiento y rotación de polarización:
1 [dB]
Absorción Atmosférica: 0.28 [dB] Pérdidas de alimentación (Feeder Loss): 0.1 [dB] Factor de Corrección de Aspecto en DL: 2 [dB]
Enlace de Subida – Inbound Tasa de Transmisión: 0.768 [Mbps] MODCOD: 8PSK 6/7 Ancho de Banda necesario: 2.612 [MHz] Pérdidas de apuntamiento y rotación de polarización:
1 [dB]
Absorción Atmosférica: 0.28 [dB] Pérdidas de alimentación (Feeder Loss): 0 [dB] Factor de Corrección de Aspecto en UL: 2 [dB]
Enlace de Bajada – Inbound Tasa de Transmisión: 0.768 [Mbps] MODCOD: 8PSK 6/7 Ancho de Banda necesario: 2.612 [MHz] Pérdidas de apuntamiento y rotación de polarización:
1 [dB]
Absorción Atmosférica: 0.28 [dB] Pérdidas de alimentación (Feeder Loss): 0.1 [dB] Factor de Corrección de Aspecto en DL: 2 [dB]
Parámetros Generales: Disponibilidad requerida del enlace: 99.6% Margen por lluvia: 3 [dB]
25 Valor calculado de acuerdo a lo expuesto en la sección 1.3.5.8
72
Figura 2.4. Información geográfica de la estación VSAT en DIGITEC S.A. [35]
Figura 2.5. Información geográfica del Hub en la Estación Terrena de CNT [35]
Figura 2.6. Azimuth, elevación y distancia al satélite desde el terminal VSAT [36]
73
Figura 2.7. Azimuth, elevación y distancia al satélite desde la estación terrena [36]
2.3.1.1 Ecuaciones de cálculo para el Outbound
ENLACE DE SUBIDA
Con la información de la Tabla 2.6 y aplicando la metodología expuesta en la sección
1.3.5.9 se realiza el diseño del enlace para el Outbound, obteniendo los siguientes valores
como resultado:
b\qcd = 20�.83~�u)� bQkcd = 1~�u)� bYY�� = 0.28~�u)� bjcd = 208.11~�u)� b_kmAcd = 3~�u)�~
ST4Kcd = 10 % logD-H8I > �0.� = ��.�3~�u)�� W&'cd = 8.�~ �u)$ � b\_cd = 0~�u)� $cd = ?228.�~�)� ���BC = ?Z.�~����~
J#- HibIcd = ��.�3 > 8.� ? 208.11 ? 3 ? 0 ? H?228.�I ? Z.� = �0.82~�u)���
74
ENLACE DE BAJADA
5]cd = ��.�3 ? 208.11 ? 3 ? 10 % logD-���E
3O10�1ZO10eF+
Z % r� ¡ = ?�[.11~ �u)�Q+ �
JT)ycd = ?�[.11 ? H?�2.} > 2I = ?�.�1~�u)� Jy)ycd = ?�.�1 ? 3.3 > Z.� = ?}.01~�u)� ST4Kcd = }3.3 > H?}.01I ? 2 = Z�.2�~�u)��~
b\qcd = 20}.23~�u)� bQkcd = 1~�u)� bYY�� = 0.28~�u)� bucd = 20�.}1~�u)� b_kmAcd = 3~�u)�~
&' = 3} > �} = 100~�$� &_kmA = 2�0 % E1 ? 110-.,F = 1ZZ.��~�$�
W&'cd = Z1.} ? 10 % logD-H100 > 1ZZ.��I = 1[.�1~ �u)$ � b\_cd = 0.1~�u)� $cd = ?228.�~�u)� ���BC = ?3.3~����~
J#- H]bIcd = Z�.2� > 1[.�1 ? 20�.}1 ? 3 ? 0.1 ? H?228.�I ? 3.3 = [�.}�~�u)��� () = 2.22~�!��� ()' = 2.Z8�~�!���~
J# H]bIcd = J#G H]bIcd ? 10 % logD- ()' = [�.}� ? �3.�� = 1}.�3~�u)� MNO = Z.}33~�!��q�
75
KL#- H]bIcd = J#- H]bIcd ? 10 % logD-HMNOI = [�.}� ? ��.}� = 13.03~�u)� KP#- H]bIcd = KL#- H]bIcd > 10 % logD-HZI > 10 % logD- E8�F = 13.03 > �.02 ? 0.}1 = 18.}Z~�u)� El valor de Es/N0 obtenido al analizar la señal recibida en la estación VSAT cumple el
mínimo de 14.4 [dB] requerido para una modulación 16APSK 8/9 con tramas cortas.
2.3.1.2 Ecuaciones de cálculo para Inbound
ENLACE DE SUBIDA
Con la información de la Tabla 2.6 y aplicando la metodología expuesta en la sección
1.3.5.9 se realiza el diseño del enlace para el Inbound, obteniendo los siguientes valores
como resultado:
b\qcd = 20�.83~�u)� bQkcd = 1~�u)� bYY�� = 0.28~�u)� bjcd = 208.11~�u)� b_kmAcd = 3~�u)�~
ST4Kcd = 10 % logD-H2I > Z3.1 = Z�.11~�u)�� W&'cd = 8.�~ �u)$ � b\_cd = 0~�u)�
$cd = ?228.�~�u)� ���BC = ?Z.�~����~
J#- HibIcd = Z�.11 > 8.� ? 208.11 ? 3 ? 0 ? H?228.�I ? Z.� = �[.3~�u)��� ENLACE DE BAJADA
5]cd = Z�.11 ? 208.11 ? 3 ? 10 % logD-���E
3O10�1ZO10eF+
Z % r� ¡ = ?120.�3~ �u)�Q+ �
76
JT)ycd = ?120.�3 ? H?�2.} > 2I = ?~30.13~�u)� Jy)ycd = ?30.13 ? 3.3 > Z.� = ?28.}3~�u)� ST4Kcd = }3.3 > H?28.}3I ? 2 = 22.[[~�u)��~
b\qcd = 20}.23~�u)� bQkcd = 1~�u)� bYY�� = 0.28~�u)� bucd = 20�.}1~�u)� b_kmAcd = 3~�u)�~
&' = 3} > �} = 100~�$� &_kmA = 2�0 % E1 ? 110-.,F = 1ZZ.��~�$�
W&'cd = }� ? 10 % logD-H100 > 1ZZ.��I = 3}.11~ �u)$ � b\_cd = 0.1~�u)� $cd = ?228.�~�u)� ���BC = ?3.3~����~
J#- H]bIcd = 22.[[ > 3}.11 ? 20�.}1 ? 3 ? 0.1 ? H?228.�I ? 3.3 = [3.}[~�u)��� () = 2.�12~�!��� ()' = 2.�2}~�!���~
J# H]bIcd = J#G H]bIcd ? 10 % logD- ()' = [3.}[ ? �Z.�� = 8.�1~�u)� MNO = [�8~�$��q�
KL#- H]bIcd = J#- H]bIcd ? 10 % logD-HMNOI = [3.}[ ? }8.8} = 1Z.[2~�u)� KP#- H]bIcd = KL#- H]bIcd > 10 % logD-H3I > 10 % logD- E�[F = 1Z.[2 > Z.[[ ? 0.�[ = 18.82~�u)�
77
El valor de Es/N0 obtenido al analizar la señal recibida en la estación terrena cumple el
mínimo de 13.4 [dB] requerido para una modulación 8PSK 6/7.
Es necesario determinar el nivel de potencia a la salida del amplificador HPA de la estación
terrena en el Outbound, con la finalidad de asegurar que la potencia necesaria no supera
la potencia disponible en el amplificador, para lo cual se consideran las pérdidas en guías
de onda entre la antena y el amplificador.
Se considera el trayecto desde el puerto de entrada de transmisión en el feeder de la
antena hasta la interfaz de guía de onda en la parte baja del pedestal, para lo cual se remite
a la información detallada por el fabricante en [37], dando como resultado un total de 210.28
[in] (5.34 [m]) de guía de onda rígida y 48 [in] (1.22 [m]) de guía de onda flexible.
A través de la información detallada en [38] se obtiene los siguientes valores de pérdidas
de inserción para guía de onda rígida y flexible; estos valores se pueden observar en el
Anexo VII, el cual incluye una sección del catálogo con el detalle de los valores de perdida
de inserción para las 2 guías de onda.
TbH�W ? 5h'Om�h'Icd = 0.12~ �u)\N � = 0.3�Z~ �u)Q � TbH�W ? 4í�mukIcd = }.2}~ � u)100\N� = 0.0}2}~ �u)\N � = 0.1[2~ �u)Q �
Donde:
- IL(WG – Flexible)dB = Pérdidas de inserción por guía de onda flexible [dB].
- IL(WG – Rígido)dB = Pérdidas de inserción por guía de onda rígida [dB].
A través de las distancias para cada tipo de guía de onda y las pérdidas en función de la
distancia se determinan las pérdidas correspondientes.
bDH5h'Om�h'Icd = 0.3�Z % 1.22 = 0.Z8~�u)� bDH4í�muGIcd = 0.1[2 % }.3Z = 0.�2~�u)�
Donde:
- L1(Flexible)dB = Pérdidas por guía de onda flexible en el trayecto 1 [dB].
- L1(Rígido)dB = Pérdidas por guía de onda rígida en el trayecto 1 [dB].
Adicional es necesario considerar el trayecto entre la interfaz de guía de onda en la parte
baja del pedestal y la salida del amplificador, para lo cual se remite a la información
proporcionada por parte de la empresa DIGITEC S.A., la misma que indica que se requiere
78
de un total de 4.8 [m] de guía de onda rígida y 0.3 [m] de guía de onda flexible. Se emplea
el mismo mecanismo para determinar las pérdidas debido a estas guías de onda, dando
un total de:
b+H5h'Om�h'Icd = 0.3�Z % 0.3 = ~0.12�u)� b+H4í�muGIcd = 0.1[2 % Z.8 = ~0.83~�u)�
Donde:
- L2(Flexible)dB = Pérdidas por guía de onda flexible en el trayecto 2 [dB].
- L2(Rígido)dB = Pérdidas por guía de onda rígida en el trayecto 2 [dB].
Para determinar el nivel de potencia necesaria a la salida del HPA se toma como base el
PIRE del enlace de subida en el Outbound, se resta la ganancia de la antena y se suman
las pérdidas, dando como resultado el valor detallado a continuación:
SnpYcd = ��.�3 ? �0.� > 0.Z8 > 0.�2 > 0.12 > 0.83 = 11.38~�u)�� = 13.[Z~��� El HPA usado en la estación Terrena de CNT en la ciudad de Quito, corresponde a un
amplificador TWT de 1250 [W] con linearizador, por lo que su potencia máxima en zona
lineal y en operación multi-portadora sería de 4 a 5 [dB] menor a su máxima potencia,
dando como resultado aproximadamente de 400 a 500 [W] disponibles. Considerando que
actualmente el HPA se encuentra operando con una potencia de salida de 10 [W], el
aumento de la potencia necesaria para esta solución no afectará en la operación del
sistema.
2.3.2 Solución 2 (Adaptación a segmentos de red disponibles)
Dado que el diseño actual de la CNT permite la inclusión de los 40 terminales sin modificar
sus parámetros de operación, no se requiere un nuevo cálculo del enlace, por esta razón
únicamente se detallan los parámetros actuales con los que se encuentra operando el
satélite y la estación terrena de la CNT, así también como los parámetros con los que
deberá operar un terminal VSAT.
Tabla 2.7. Parámetros actuales de funcionamiento – Solución 2
Satélite Nombre: Eutelsat 117 West A Tipo: Geoestacionario Longitud punto Sub-Satélite: 116.8° O IBO Nominal: -4.9 [dB] OBO Nominal: -3.3 [dB] Transpondedores usados: Ku25 y Ku27
79
Polarización UL: Vertical Frecuencias Base UL: 14.00 [GHz] Pico de G/T en UL: 8.6 [dB/K] Densidad de flujo en saturación en UL: -92.5 [dBW/m2] Polarización DL: Horizontal Frecuencia Base DL: 11.70 [GHz] PIRE pico en DL: 53.3 [dBW]
Estación VSAT – DIGITEC S.A. Eficiencia de la antena: 65% Dimensiones de la antena: 1.2 [m] Ganancia de la antena en UL: 43.1 [dBi] Ganancia de la antena en DL: 41.5 [dBi] Potencia del HPA: 2 – 4 [W] Temperatura de ruido de antena: 35 [K] Temperatura de ruido de LNA: 65 [K]
Estación Terrena CNT Latitud estación terrena: 0.2741° S Longitud estación terrena: 78.4739° O Altura sobre el nivel del mar: 2557 [m] Azimuth verdadero: 270.3° Elevación: 45.4° Distancia al satélite: 37423.7 [km] Eficiencia de la antena: 65% Dimensiones de la antena: 9 [m] Ganancia de la antena en UL: 60.6 [dBi] Ganancia de la antena en DL: 59 [dBi] Potencia de entrada a la antena: 8 [W] Temperatura de ruido de antena: 35 [K] Temperatura de ruido del LNA: 65 [K]
2.4 Diseño del sistema emergente
Una vez culminado el dimensionamiento y diseño del enlace, se procede al diseño de la
plataforma móvil con el detalle de los elementos que lo conformarán, tomando en
consideración que se refiere a un sistema de comunicaciones en situaciones de
emergencia y desastre, por lo que su transporte e instalación debe ser lo más sencillo
posible, permitiendo así su inmediato funcionamiento.
Se plantea el uso de una plataforma móvil que pueda ser instalada sobre una camioneta,
de tal forma que el personal técnico pueda viajar a territorio y poner en funcionamiento de
forma inmediata al sistema de comunicaciones emergente.
Con la finalidad de verificar la funcionalidad de la plataforma móvil se elabora un prototipo
que consta de los siguientes elementos:
80
2.4.1 Estructura de anclaje a la camioneta
La estructura de anclaje representa la pieza fundamental de la plataforma móvil, ya que la
misma sujetará la antena y los equipos de comunicaciones. La estructura de anclaje usada
en el prototipo tiene las siguientes características:
- Permite la sujeción y montaje de la antena y de los equipos de radio y red
necesarios para proveer los servicios antes descritos.
- Se diseña la estructura para su montaje sobre una camioneta doble cabina modelo
HILUX de la marca TOYOTA, la misma que permitirá el transporte de los equipos y
el personal técnico.
- Se encuentra sujeta mediante una placa y pernos laterales que permiten soportar
el peso de los equipos durante su movilización y evitar daños a la camioneta usada.
- El material con el que se encuentra elaborada la estructura es acero diamantado,
el mismo que gracias a sus características permite soportar el peso de la antena y
los equipos.
- Permite la protección de los equipos ante lluvia y el sol, para lo cual se dispone de
un espacio entre la estructura y la zona de carga de la camioneta, este espacio será
ocupado por una caja de equipos para exteriores.
- En el Anexo VIII se presenta un anexo fotográfico de la plataforma móvil, en el cual
se incluye un detalle sobre la estructura de anclaje.
- En el Anexo IX se presentan los planos de la estructura de anclaje con el detalle de
las dimensiones de la misma.
2.4.2 Trípode de montaje de la antena
El trípode permite la sujeción y apuntamiento de la antena, en función de la ubicación de
la plataforma móvil y el satélite a ser usado. El trípode usado en el prototipo tiene las
siguientes características:
- Cuenta con un brazo de longitud fija (brazo central) y dos brazos de longitud variable
(brazos laterales), esto permitirá la nivelación de la antena en cualquier terreno para
su correcto apuntamiento, a través del aumento o disminución en las distancias de
los brazos laterales.
- Se encuentra fijo a la estructura de anclaje mediante piezas de apoyo a los brazos
laterales y el brazo central.
- Permite montar la antena y apuntarla en función del satélite de operación. El trípode
deberá permitir el apuntamiento Este u Oeste de la antena según el satélite a ser
usado.
81
- Gracias a la sujeción a través de las piezas de apoyo no existe problemas en el
transporte del trípode montado sobre la estructura.
- La instalación de la antena se realiza fácil y rápidamente, ya que únicamente es
necesario colocar y ajustar el cánister sobre el trípode.
- Se encuentra conectado a tierra para evitar las descargas eléctricas hacia los
equipos.
- En el Anexo VIII se presenta un anexo fotográfico de la plataforma móvil, en el cual
se incluye un detalle sobre el trípode ya montado a la estructura de anclaje.
- En el Anexo X se presentan los planos del trípode con el detalle de las dimensiones
del mismo.
2.4.3 Antena, Feeder y estructura de sujeción
Estos elementos pertenecen a la etapa de radio frecuencia de una estación remota, y
permiten la transmisión y recepción de señales inalámbricas en la banda de frecuencias de
operación del sistema. La antena, feeder y estructura de sujeción del feeder usados en el
prototipo tienen las siguientes características:
- Son distribuidos por el fabricante, lo que permite asegurar su correcto
funcionamiento de acuerdo a lo expuesto en la hoja de datos.
- La distribución de los elementos al personal técnico se lo realiza en kits compuestos
por: Antena, Cánister (pieza que permite anclar la antena al trípode), feeder, brazos
de sujeción de feeder, LNB, BUC, filtro de recepción, pernos, arandelas, tornillos y
tuercas.
- La antena usada por la empresa DIGITEC S.A. corresponde a la Type 123 1.2 Meter
Class I and II Antenna System de Skyware.
- En [39] se detallan las instrucciones de montaje para la antena y sus elementos de
sujeción.
- En el Anexo VIII se presenta un anexo fotográfico de la plataforma móvil, en el cual
se incluye un detalle sobre estos elementos.
2.4.4 Caja de equipos
Corresponde a una caja de plástico que deberá almacenar a los equipos de radio y red
necesarios para la operación del sistema emergente. La caja de equipos usada en el
prototipo tiene las siguientes características:
- En su interior se deberán instalar los siguientes equipos: terminal VSAT, regleta
supresora de picos, patch panel, UPS (Uninterruptible Power Suply – Sistema de
Alimentación Ininterrumpida) y power inserter para el terminal VSAT.
82
- La caja deberá cumplir con el estándar de grado de protección IP67, es decir que
deberá asegurar la protección contra polvo y agua, permitiendo la operación del
sistema en exteriores.
- Con la finalidad de evitar daños a los equipos almacenados, es necesario que el
interior de la caja cuente con elementos que los mantengan fijos y protejan ante
posibles impactos.
- Deberá ser anclada a la estructura a través de rieles, placas y platinas que la
mantendrán fija durante su transporte y permitirán la manipulación de los equipos
en su interior durante la instalación.
- Deberá contar con 2 prensaestopas que permitirán la conexión de los cables hacia
el exterior de la caja; uno de ellos permitirá el paso de los cables de radio frecuencia
(cables RG 6) que se conectan al terminal VSAT (RF-IN y RF-OUT) y el otro
permitirá el paso del cable de alimentación que se conecta al UPS.
- Con la finalidad de asegurar el almacenamiento de los equipos se requiere que la
caja tenga como mínimo las siguientes dimensiones:
o Largo: 45 cm
o Ancho: 35 cm
o Profundidad: 30 cm
- En el Anexo VIII se presenta un anexo fotográfico de la plataforma móvil, en el cual
se incluye un detalle sobre una caja plástica de 47x37x27.5 cm, la misma que fue
montada en la estructura de anclaje para el almacenamiento de los equipos.
- En el Anexo XI se presentan los planos de la caja de equipos empleada con el
detalle de las dimensiones de la misma.
2.4.5 Conexiones Eléctricas
Con la finalidad de mantener la continua operación del sistema de comunicaciones
emergentes, es necesario disponer de más de una fuente de energía y de un sistema de
respaldo de activación inmediata. Las conexiones eléctricas usadas en el prototipo tienen
las siguientes características:
- Los equipos del sistema podrán conectarse a una fuente de energía comercial o un
generador eléctrico, esto permitirá asegurar su operación bajo condiciones poco
favorables.
- La selección de la fuente de alimentación eléctrica se realizará de forma manual a
través de un selector de 3 posición (Energía Comercial – Apagado – Generador).
- Se requiere un voltaje de 120 VAC por parte de la fuente de energía comercial y del
generador.
83
- El generador deberá asegurar la operación del sistema hasta que el
restablecimiento de la energía convencional, para lo cual es necesario contar con
una reserva de combustible.
- El sistema emergente hará uso de un UPS que provea la alimentación necesaria
durante un mínimo de 2 horas, considerando que el nivel de consumo del terminal
VSAT es bajo.
- Es necesario proteger a los equipos de comunicación, razón por la cual se cuenta
con un breaker, una regleta supresora de picos y una adecuada conexión a tierra.
- La conexión a tierra tiene 4 puntos de contacto, estos son: el feeder, el trípode de
montaje de la antena, la estructura de anclaje a la camioneta y el generador; estos
puntos deberán conectarse a una barra de tierra en la estación en la que operará
el sistema emergente o en caso de no disponer de dicha barra, será necesario la
instalación temporal de un sistema de tierra mediante una varilla copperweld
enterrada en el suelo.
- Las conexiones eléctricas se realizan a través de dispositivos para exteriores, bajo
la estructura de anclaje y al interior de la caja de equipos, con la finalidad de
protegerlas de la lluvia y evitar así los riesgos eléctricos.
- Para la alimentación de la VSAT y el BUC se emplea el power inserter, el mismo
que se encarga de proveer la corriente necesaria a los equipos (principalmente al
BUC) lo que permite evitar daños en otros equipos del sistema.
- En el Anexo VIII se presenta un anexo fotográfico de la plataforma móvil, en el cual
se incluye un detalle sobre los elementos eléctricos principales del sistema
emergente.
- En el Anexo XII se presenta el diagrama eléctrico para la alimentación del sistema
de comunicaciones emergentes. Es importante recalcar que la presente solución
no considera la energización de los recursos tecnológicos usados por el equipo de
respuesta.
2.4.6 Conexiones de Radio Frecuencia y de Red
Los equipos presentes en la plataforma móvil deberán proveer un enlace de comunicación
a los equipos de usuario que se conecten al sistema, por esta razón es necesario realizar
las conexiones de RF y red necesarias para su correcta operación. Las conexiones de RF
y red usadas en el prototipo tienen las siguientes características.
- El terminal VSAT posee dos puertos de conexión RF, uno de entrada para el enlace
de bajada (RF-IN) y otro de salida para el enlace de subida (RF-OUT).
- Los cables RF-IN y RF-OUT son cables coaxiales RG 6 de longitud fija.
84
- El cable RF-OUT se conecta al power inserter para proveer de la alimentación
necesaria al BUC.
- El cable RF-IN se conecta a un divisor con bloqueo de DC, lo que permite la
conexión de equipos de monitoreo para la señal recibida del hub.
- El terminal VSAT cuenta con 2 puertos de red que serán conectados a un patch
panel a través de un patch cord. Los equipos de red del cliente deberán conectarse
al patch panel en los puertos 1 y 2 para hacer uso del sistema emergente.
- En el Anexo VIII se presenta un anexo fotográfico de la plataforma móvil, en el cual
se incluye un detalle sobre las conexiones de radio frecuencia.
- En el Anexo II se presenta un diagrama en el que se puede identificar las
conexiones de los cables RF-IN y RF-OUT al terminal VSAT.
- En el Anexo XIII se incluye el diagrama general del enlace entre una estación
remota y la estación terrena, los equipos en el lado del cliente son representados a
través de una red LAN conformada por computadoras de escritorio; mientras que
en el lado del proveedor se presenta un diagrama de bloques básico de los
elementos que conforman la estación terrena.
85
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
En el presente capítulo se presentan las pruebas de servicio del sistema emergente y de
configuración y funcionamiento de los equipos que lo conforman. Se incluye también una
comparación entre los resultados obtenidos durante la implementación temporal y la etapa
de diseño.
3.1 Pruebas del Enlace Satelital
Con la finalidad de realizar pruebas del enlace satelital establecido entre un terminal remoto
y la estación terrena, se instala temporalmente un terminal VSAT en las instalaciones de la
empresa DIGITEC S.A., y se realizan pruebas de servicios en los perfiles de tráfico 1, 2 y
3 descritos en la Tabla 2.4, las pruebas y verificaciones realizadas se detallan a
continuación:
- Inspección física del equipo.
- Consulta del estado del equipo vía software.
- Consulta de la información general del equipo vía software.
- Consulta de la información de telemetría vía software.
- Verificación de los parámetros IP de la computadora de prueba.
- Prueba de conectividad a través del comando Ping hacia la VSAT, el DPS y el
Router de Borde.
- Prueba de conectividad hacia el servidor DNS (Domain Name System – Sistema de
Nombres de Dominio) de Google.
- Pruebas de velocidad (Speedtest).
- Prueba de video a través del portal de internet YouTube.
- Carga de archivo hacia el servicio de almacenamiento de datos en la nube Google
Drive.
En la Figura 3.1 se presenta el diagrama de conexiones de los equipos que serán usados
para las pruebas del enlace. El equipo HST-3000 se conecta en uno de sus puertos RJ-45
a la computadora de pruebas (Puerto 2) y el otro hacia el terminal VSAT (Puerto 1),
permitiendo así capturar todo el tráfico entre la VSAT y la computadora. En las mediciones
realizadas con el HST-3000 se deberá diferenciar las mediciones de Upload capturadas en
el Puerto 2 y las de Download en el Puerto 1.
Las condiciones de ejecución de las pruebas son las siguientes:
- La computadora de pruebas se encuentra ejecutando el sistema operativo Windows
10.
86
- El terminal VSAT es configurada con un ID diferente para cada perfil de tráfico.
- Las pruebas se realizan un lunes de 12:00 a 14:00, considerando que dicho periodo
de tiempo corresponde a la hora pico del sistema satelital VSAT, lo que permite que
las mediciones reflejen los valores del CIR para cada perfil de tráfico.
Figura 3.1. Diagrama de conexiones del equipo HST-3000.
A continuación, se presentan capturas de pantalla y fotografías de las pruebas realizadas,
así como un cuadro resumen de los resultados obtenidos.
3.1.1 Pruebas Generales
Primero se verificarán los parámetros generales que no dependen del perfil de tráfico con
el que se encuentra configurado el terminal.
3.1.1.1 Inspección Física del Equipo
Se verifica la instalación y apuntamiento de la antena, así como el estado de los cables
desde el Feeder hacia el terminal VSAT y de los cables de red a ser usados.
Figura 3.2. Cables de conexión en el Feeder.
87
Figura 3.3. Cables de conexión en el terminal VSAT.
El terminal VSAT cuenta con 5 leds (PWR, Rx, SYNC, ON-LINE y Tx) ubicados en la parte
frontal del equipo, el estado de dichos leds permite conocer el modo de operación del
terminal.
Cuando el terminal se encuentra operando normalmente los leds de PWR, Rx, SYNC y
ON-LINE deberán estar encendidos de forma permanente, mientras que el led de Tx titilará
al momento de transmitir un paquete.
Figura 3.4. Leds de estado del terminal VSAT.
3.1.1.2 Consulta del estado del equipo vía software
Los equipos SE II incluyen la funcionalidad de administración a través de un aplicativo web
(conocido como SkyManage) al cual se accede mediante un navegador web con la
dirección IP del terminal. Este aplicativo cuenta con 3 secciones compuestas por varias
pestañas a través de las cuales se podrá acceder a la verificación y configuración del
terminal.
En la sección y pestaña de estado (Status) se puede verificar la siguiente información:
88
- Estado actual del equipo y del enlace satelital.
- Presencia de la portadora de Outbound.
- Sincronización, autenticación y autorización del terminal en la red.
- Activación de las funcionalidades de aceleración TCP y HTTP.
- Velocidad y modo dúplex de los puertos 1 y 2.
- Estado de poder del equipo (Normal, Bajo Nivel o Ahorro de energía).
- Tiempo de operación desde el inicio o reseteo del terminal.
Los resultados obtenidos en la pestaña de estado se muestran en la Figura 3.5, en donde
se puede ver que la aceleración HTTP no se encuentra habilitada en la red actual y que el
puerto LAN 2 no tiene ningún equipo conectado.
Figura 3.5. SkyManage - Sección y pestaña de estado
3.1.1.3 Consulta de la información general del equipo vía software
En la sección de estado y pestaña de información (Info) se pueden verificar los siguientes
parámetros:
- ID, número de parte y el número de serie del terminal.
- ID de la tarjeta madre.
- Versión de software de arranque y de operación.
- Dirección MAC.
- Configuración IP (Dirección IP y mascara de red).
- Configuración IP de administración.
En la Figura 3.6 se presenta la información obtenida en la presente prueba.
89
Figura 3.6. SkyManage – Sección de estado y pestaña de información
3.1.1.4 Consulta de la información de telemetría vía software
En la sección de estado y pestaña de telemetría (Telemetry) se pueden verificar los
siguientes parámetros del terminal VSAT:
- Porcentaje de uso del procesador interno al equipo.
- Nivel de Es/N0 en recepción.
- Frecuencia en la que se recibe el Outbound.
- Estándar usado en Outbound e Inbound.
- Paquetes de red enviado y recibidos.
En la Figura 3.7 se presenta la información obtenida en la presente prueba.
Figura 3.7. SkyManage – Sección de estado y pestaña de telemetría
90
3.1.1.5 Parámetros IP de la computadora de pruebas
El terminal VSAT SE II Extend, cuenta con un servidor DHCP (Dynamic Host Configuration
Protocol – Protocolo de Configuración Dinámica de Host) que permite la asignación
automática de los parámetros IP a los clientes que se encuentren en red con el terminal,
considerando el escenario de pruebas el terminal asignará los parámetros de red a la
computadora que se encuentra conectada. Se comprobará dicha asignación a través del
comando “ipconfig” ejecutado desde el intérprete de comando CMD (Command Prompt –
Símbolo del Sistema) del sistema operativo Windows 10, como se puede ver en la siguiente
Figura.
Figura 3.8. Comando “ipconfig” ejecutado en CMD – Windows 10
3.1.1.6 Prueba de conectividad a través del comando Ping hacia la
VSAT, el DPS y el Router de Borde.
Para asegurar la conexión a internet, es necesario primero verificar la comunicación entre
la computadora y el terminal VSAT (con dirección IP local 181.113.5.169), el DPS en el hub
(con dirección IP 10.X.X.X26) y el router de borde en la estación terrena (con dirección IP
10.X.X.X), para lo cual se emplea el comando “ping”.
Figura 3.9. Prueba de ping al terminal VSAT
26 Por razones de seguridad no se especifica la dirección IP de ciertos elementos de la red VSAT
91
Figura 3.10. Prueba de ping al DPS en el Hub.
Figura 3.11. Prueba de ping al router de borde en la Estación Terrena
3.1.1.7 Prueba de conectividad hacia el servidor DNS de Google.
Una vez asegurada la comunicación con el router de borde, la computadora de pruebas ya
puede acceder a internet, para comprobarlo se hace uso del comando “ping” continuo hacia
el servidor DNS de Google (con dirección IP 8.8.8.8), con la finalidad de verificar que se
mantenga la conexión y visualizar los tiempos de respuesta. Igualmente se emplea el
comando “tracert” (Trace Route) para verificar todos los saltos desde la computadora al
servidor DNS.
Figura 3.12. Comando ping continuo hacia el servidor DNS de Google
92
Figura 3.13. Comando tracert hacia el servidor DNS de Google
3.1.2 Pruebas en el perfil 1 de tráfico (DL-MIR: 2048 kbps, UL-MIR: 1024
kbps)
Se configura al terminal con una VSAT ID en el perfil de tráfico 1 y se procede a realizar
las pruebas respectivas.
3.1.2.1 Pruebas de velocidad (Speedtest)
Con la finalidad de determinar la velocidad de carga, descarga y latencia del enlace, se
emplean las herramientas de medición en las siguientes páginas web:
http://www.speedtest.net/ y http://speedtest.cnt-grms.com.ec/. Los resultados obtenidos
son los siguiente.
Figura 3.14. Primera medición de velocidad de carga, descarga y latencia para una VSAT en el perfil de tráfico 1
93
Figura 3.15. Segunda medición de velocidad de carga, descarga y latencia para una VSAT en el perfil de tráfico 1
3.1.2.2 Prueba de video a través del portal de internet YouTube
Con la finalidad de medir la velocidad de descarga del enlace, se reproduce un video a
través del portal de internet YouTube y se toman las mediciones a través del equipo HST-
3000.
Figura 3.16. Pantalla con resultados de la prueba de descarga en el perfil de tráfico 1
94
3.1.2.3 Carga de archivo hacia el servicio de almacenamiento de datos
en la nube Google Drive.
Con la finalidad de medir la velocidad de carga del enlace, se sube un archivo con un
tamaño de 209 MB hacia una carpeta en el sistema de almacenamiento en la nube de
Google Drive y se toman las mediciones a través del equipo HST-3000.
Figura 3.17. Carga de archivo al servicio de almacenamiento en la nube Google Drive para el perfil de tráfico 1
Figura 3.18. Pantalla con resultados de la prueba de carga en el perfil de tráfico 1
3.1.3 Pruebas en el perfil 2 de tráfico (DL-MIR: 1024 kbps, UL-MIR: 512
kbps)
Se configura al terminal con una VSAT ID en el perfil de tráfico 2 y se procede a realizar
las pruebas respectivas.
3.1.3.1 Pruebas de velocidad (Speedtest)
Con la finalidad de determinar la velocidad de carga, descarga y latencia del enlace, se
emplean las herramientas de medición en las siguientes páginas web:
http://www.speedtest.net/ y http://speedtest.cnt-grms.com.ec/. Los resultados obtenidos
son los siguiente.
95
Figura 3.19. Primera medición de velocidad de carga, descarga y latencia para una VSAT en el perfil de tráfico 2
Figura 3.20. Segunda medición de velocidad de carga, descarga y latencia para una VSAT en el perfil de tráfico 2
3.1.3.2 Prueba de video a través del portal de internet YouTube
Con la finalidad de medir la velocidad de descarga del enlace, se reproduce un video a
través del portal de internet YouTube y se toman las mediciones a través del equipo HST-
3000.
96
Figura 3.21. Pantalla con resultados de la prueba de descarga en el perfil de tráfico 2
3.1.3.3 Carga de archivo hacia el servicio de almacenamiento de datos
en la nube Google Drive.
Con la finalidad de medir la velocidad de carga del enlace, se sube un archivo con un
tamaño de 209 MB hacia una carpeta en el sistema de almacenamiento en la nube de
Google Drive y se toman las mediciones a través del equipo HST-3000.
Figura 3.22. Carga de archivo al servicio de almacenamiento en la nube Google Drive para el perfil de tráfico 2
Figura 3.23. Pantalla con resultados de la prueba de carga en el perfil de tráfico 2
97
3.1.4 Pruebas en el perfil 3 de tráfico (DL-MIR: 1024 kbps, UL-MIR: 512
kbps)
Se configura al terminal con una VSAT ID en el perfil de tráfico 3 y se procede a realizar
las pruebas respectivas.
3.1.4.1 Pruebas de velocidad (Speedtest)
Con la finalidad de determinar la velocidad de carga, descarga y latencia del enlace, se
emplean las herramientas de medición en las siguientes páginas web:
http://www.speedtest.net/ y http://speedtest.cnt-grms.com.ec/. Los resultados obtenidos
son los siguientes.
Figura 3.24. Primera medición de velocidad de carga, descarga y latencia para una VSAT en el perfil de tráfico 3
Figura 3.25. Segunda medición de velocidad de carga, descarga y latencia para una VSAT en el perfil de tráfico 3
98
3.1.4.2 Prueba de video a través del portal de internet YouTube
Con la finalidad de medir la velocidad de descarga del enlace, se reproduce un video a
través del portal de internet YouTube y se toman las mediciones a través del equipo HST-
3000.
Figura 3.26. Pantalla con resultados de la prueba de descarga en el perfil de tráfico 3
3.1.4.3 Carga de archivo hacia el servicio de almacenamiento de datos
en la nube Google Drive.
Con la finalidad de medir la velocidad de carga del enlace, se sube un archivo con un
tamaño de 209 MB hacia una carpeta en el sistema de almacenamiento en la nube de
Google Drive y se toman las mediciones a través del equipo HST-3000.
Figura 3.27. Carga de archivo al servicio de almacenamiento en la nube Google Drive para el perfil de tráfico 3
99
Figura 3.28. Pantalla con resultados de la prueba de descarga en el perfil de tráfico 3
Es importante recalcar el funcionamiento tipo Maestro-Esclavo de los sistemas satelitales
SE II, razón por la cual el único parámetro que se debe configurar en sitio corresponde al
identificador de la VSAT y a las coordenadas del sitio de instalación, esto debido a que los
equipos son preconfigurados antes de ser puestos en servicio y al control que mantiene la
estación terrena sobre los terminales.
Tabla 3.1. Resultados de las pruebas de los perfiles de tráfico 1, 2 y 3
Perfil
Prueba 1 2 3
Speedtest Prueba 1
Download
[Mbps] 0.89 0.86 0.79
Upload [Mbps] 0.14 0.14 0.07
Latencia [ms] 909 1480 1080
Speedtest Prueba 2
Download
[Mbps] 0.8 0.8 0.4
Upload [Mbps] 0.1 0.1 0.1
Latencia [ms] N/D N/D N/D
Video a través de
YouTube
Download
[Mbps] 1.02 0.79 0.71
Carga de archivo a
Google Drive Upload [Mbps] 0.26 0.42 0.29
100
En la Tabla 3.1 se detallan los resultados obtenidos en cada una de las pruebas para los
perfiles de tráfico 1, 2 y 3, con la finalidad de comparar y evaluar los resultados obtenidos
verificando la funcionalidad de los perfiles de tráfico para la provisión de los servicios
emergentes.
3.2 Comparación de Resultados
Con la finalidad de verificar que los resultados obtenidos en las pruebas permiten la
implementación del sistema emergente, se realiza la comparación entre los resultados
teóricos esperados y los resultados detallados en la Tabla 3.1, para lo cual se realiza un
promedio de los valores obtenidos para el enlace de subida y enlace de bajada de cada
parámetro evaluado.
Con la finalidad de comparar los resultados prácticos y resultados teóricos para cada
prueba se procede a calcular el error absoluto y relativo de acuerdo con la metodología
expuesta en [40], dichos errores se encuentran detallados en la Tabla 3.3.
De acuerdo a la información expuesta en las Tablas 2.2, 2.3, 2.5, 3.2 y 3.3 se pueden
acotar las siguientes comparaciones:
- Perfil 1
o La velocidad de Download obtenida es mayor al CIR del perfil y permite la
ejecución de los servicios emergentes durante la hora pico.
o La velocidad de Upload obtenida es mayor al CIR del perfil; sin embargo, es
menor al CIR requerido para la ejecución de los servicios emergentes
durante la hora pico.
o La latencia es considerablemente mayor al valor teórico para los sistemas
satelitales Geoestacionarios.
- Perfil 2
o La velocidad de Download obtenida es mayor al CIR del perfil y permite la
ejecución de los servicios emergentes durante la hora pico.
o La velocidad de Upload obtenida es mayor al CIR del perfil; sin embargo, es
menor al CIR requerido para la ejecución de los servicios emergentes
durante la hora pico.
o La latencia es considerablemente mayor al valor teórico para los sistemas
satelitales Geoestacionarios.
- Perfil 3
o La velocidad de Download obtenida es mayor al CIR del perfil y permite la
ejecución de los servicios emergentes durante la hora pico.
101
o La velocidad de Upload obtenida es mayor al CIR del perfil; sin embargo, es
menor al CIR requerido para la ejecución de los servicios emergentes
durante la hora pico.
o La latencia es considerablemente mayor al valor teórico para los sistemas
satelitales Geoestacionarios.
Tabla 3.2. Resultados Prácticos y Resultados Teóricos
Perfil
Prueba 1 2 3
Resultados
Prácticos
Download
[Mbps] 0.903 0.817 0.633
Upload
[Mbps] 0.17 0.22 0.153
Latencia
[ms] 909 1480 1080
Resultados
Teóricos
Download
[Mbps] 0.512 0.512 0.256
Upload
[Mbps] 0.128 0.128 0.064
Latencia
[ms] 50027 500 500
Tabla 3.3. Comparación Resultados Prácticos y Resultados Teóricos
Perfil Prueba Error Absoluto Error Relativo [%]
1
Download 0.391 76.37%
Upload 0.042 32.81%
Latencia 409 81.80%
2
Download 0.305 59.57%
Upload 0.092 71.88%
Latencia 980 196.00%
3
Download 0.377 147.27%
Upload 0.089 139.06%
Latencia 580 116.00%
27 Valor teórico calculado con la distancia al satélite y la velocidad de la luz, según se detalla en [13]
102
4. CONCLUSIONES
· Los sistemas de comunicaciones son indispensables para el cumplimiento de las
tareas del personal de respuesta en territorio, ya que permiten incrementar la
eficiencia en el uso de los recursos disponibles, gracias a la correcta coordinación
inter e intrainstitucional.
· Tomando en consideración la vulnerabilidad del Ecuador ante emergencias o
desastres, es necesario que los organismos de gestión de riesgos y salud
dispongan de planes de contingencia que permitan la recuperación de las
comunicaciones tras un evento adverso, para esto se requiere la participación de
operadores de servicios de telecomunicaciones a nivel nacional e internacional.
· Los sistemas de comunicaciones emergentes actualmente disponibles en el país
poseen limitaciones de capacidad para cumplir con los servicios que requiere el
personal de respuesta en territorio (como es el caso de los sistemas de radio digital
convencional y troncalizado) o de restauración del servicio tras un fallo (como son
la RTPC, los sistemas de telefonía móvil o las redes de internet alámbrico e
inalámbrico). Para superar estas limitaciones se requiere de una infraestructura de
comunicaciones de fácil y rápida implementación tras un evento adverso y con
suficiente capacidad para proveer los servicios requeridos.
· La implementación de sistemas satelitales VSAT para la respuesta ante eventos
adversos permite varias ventajas entre las que se encuentran: cobertura global,
capacidad suficiente para la ejecución de los servicios necesarios, fácil y rápida
instalación, administración centralizada de terminales y recursos, redundancia en
los equipos centrales ubicados en el hub, posibilidad de modificar las prioridades
de asignación de recursos de acuerdo a las necesidades de los clientes, entre
muchas otras.
· En la actualidad los sistemas satelitales VSAT emplean codificaciones de canal
robustas y modulaciones de alto orden, lo que permite mejorar la eficiencia
espectral y disminuir los niveles de potencia necesarios a la salida, al mismo tiempo
que proveen un enlace más robusto contra la interferencia y el desvanecimiento de
las señales.
· El uso de un sistema de comunicaciones emergente sobre una plataforma móvil
permite adaptarse a las necesidades de comunicación reales en territorio, gracias
a la posibilidad de movilizar los recursos según el nivel de afectación y las
necesidades de las autoridades en gestión de riesgos.
103
· Gracias a la baja cantidad de recursos y equipos que se requieren movilizar para la
instalación y arranque del sistema emergente basado en tecnología VSAT, es
posible emplear únicamente una camioneta con la plataforma móvil, la misma que
se trasladará al sitio designado para su instalación.
· Una vez instalado el sistema emergente, este podrá operar continuamente durante
el tiempo que sea necesario, siempre y cuando se asegure la alimentación eléctrica,
ya sea a través de energía comercial o de un generador eléctrico.
· Las condiciones climáticas normales como la lluvia no representan un impedimento
para el funcionamiento del sistema emergente, ya que la plataforma móvil cuenta
con dispositivos y elementos de almacenamiento para exteriores.
· El sistema de comunicaciones emergente puede operar bajo condiciones poco
favorables, ya que cuenta con dispositivos y mecanismos de protección de los
equipos, entre dichas protecciones se encuentran: conexión a tierra para evitar
descargas, protección IP67 contra agua y polvo, protección contra impactos,
supresor de picos de voltaje, seguridad de los equipos almacenados y anclaje
robusto.
· Gracias a la preconfiguración de los terminales VSAT, la instalación del sistema
emergente únicamente requiere del montaje y apuntamiento de la antena en el
trípode, conexión de los cables de radio frecuencia y red necesarios, conexión a
toma de tierra existente o instalación de varilla de tierra y configuración de
parámetros básicos en el terminal VSAT.
· La ejecución de la primera solución (nuevo segmento de red) requiere de pocos
recursos de hardware y un bajo ancho de banda, por lo que no resulta en excesivos
costos y puede ser fácilmente implementada en el país. Sin embargo; la segunda
solución (incremento de terminales VSAT en segmentos de red ya existentes)
puede ser implementada de forma inmediata, sin necesidad de realizar
modificaciones en el hub. La selección de la solución a implementarse dependerá
de las autoridades en gestión de riesgos, el nivel de afectación del posible evento
adverso y los acuerdos establecidos con la empresa encarga de proveer el enlace
satelital.
· De acuerdo a la comparación de resultados de las pruebas realizadas, los perfiles
de tráfico 1, 2 y 3 del sistema satelital VSAT actualmente disponible en el país,
cumplen con el CIR establecido durante la hora pico; sin embargo, debido a la baja
capacidad de Upload, estos valores no permiten la ejecución de las aplicaciones
detalladas en la sección 2.2.3.1, por lo que la solución 2 es considerada como una
alternativa para la implementación inmediata del sistema emergente.
104
· Gracias al dimensionamiento del HPA presente en la estación terrena de la
empresa CNT, no existen problemas en considerar el incremento de los 40
terminales VSAT del sistema emergente.
· Gracias a la capacidad de expansión modular de los sistemas satelitales VSAT, es
posible planificar el crecimiento de la red en función de los requerimientos de los
clientes, permitiendo así incrementar la capacidad y número de terminales en el
sistema de comunicaciones emergente.
· El presente estudio plantea únicamente el aprovisionamiento de sistemas de
comunicación a las autoridades y organismos de respuesta en territorio tras una
emergencia o desastre; sin embargo, gracias a la versatilidad de los sistemas
VSAT, es posible considerar la dotación de sistemas de comunicación al público en
general, siempre que esto no afecte a los procesos de rescate y recuperación tras
el evento.
105
5. RECOMENDACIONES
· Es necesario contar con la participación de organismos públicos y privados en el
país que permitan la integración del sistema de comunicaciones emergente, a
través de la dotación de los recursos necesarios posterior a una emergencia o
desastre. La definición de convenios, acuerdos y compromisos a nivel nacional
podría permitir la recuperación casi inmediata de los servicios de comunicación
perdidos en el área afectada.
· Para la inclusión del sistema emergente planteado en este proyecto, se recomienda
establecer acuerdos y convenios con la empresa CNT, para la dotación de los
recursos requeridos, contratación del segmento satelital necesario y la
disponibilidad del personal técnico encargado de la instalación y mantenimiento de
las estaciones remotas.
· Es importante que se realice la identificación y etiquetado de los equipos y cableado
que compone el sistema emergente, esto con la finalidad de facilitar la identificación
de posibles fallos en el sistema; la identificación y etiquetado se realizará con la
normativa definida por el cliente del sistema de comunicaciones emergentes.
· Es necesario ubicar a la plataforma móvil en un sitio seguro para su operación, esto
con la finalidad de salvaguardar los recursos tecnológicos y de Talento Humano
ante cualquier nueva ocurrencia de un evento adverso en la zona afectada.
106
6. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] Organización Panamericana de la Salud, Manual de evaluación de daños y
necesidades en salud para situaciones de desastre, vol. VI, 2004.
[2] H. Zarate y J. E. Ortiz, «Servicios en Comunicaciones de Emergencia,» Ingenio
Magno, vol. 4, pp. 39-45, 2013.
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IEEE Communications Magazine, pp. 102-107, 2002.
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Costos de Reconstrucción, Sismo en Ecuador - Abril 2016,» SENPLADES, Quito,
2016.
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Efectos Socioeconómicos, Quito: Corporación Editora Nacional, 2000.
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PMRC - ESPOL, «Geo Ecuador 2008, Informe sobre el estado del medio ambiente,»
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[En línea]. Available: https://www.gestionderiesgos.gob.ec/objetivos/. [Último acceso:
4 Julio 2018].
[8] Secretaría de Gestión de Riesgos, «Manual del Comité de Operaciones de
Emergencia,» Guayaquil, 2017.
[9] Asamblea Nacional, «Ley Orgánica de Telecomunicaciones,» de Artículo 5.-
Definición de telecomunicaciones, Quito, 2015, p. 5.
[10] F. G. Sremler, Sistemas de Comunicación, México DF: Alfaomega, 1989.
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Monterrey: Pearson Educación, 2008.
[12] "Modulación Digital", notas de clase de IEE7H4, Facultad de Ingeniería Electrónica y
Telecomunicaciones, Escuela Politécnica Nacional, 2014-B.
107
[13] W. Tomasi, Sistemas de Comunicaciones Electrónicas, Cuarta ed., México: Pearson
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[14] Unión Internacional de Telecomunicaciones, «Rec. UIT-R V.431-8 - Nomenclatura de
las bandas de frecuencias y de las longitudes de onda empleadas en
telecomunicaciones,» UIT, Ginebra, 2015.
[15] D. Roddy, Satellite Communications, Chicago: McGraw-Hill, 2001.
[16] Tait Communications, «Basic Radio Awareness,» Tait Limited, Christchurch, 2015.
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Comunicaciones (TIC´S) 2016,» INEC, Quito, 2016.
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Electrónica y Telecomunicaciones, Escuela Politécnica Nacional, 2015-B.
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2017,» Servicio Integrado de Seguridad ECU 911, Quito, 2014.
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110
7. ANEXOS
ANEXO I. Hoja de Datos equipo SkyeEdge Extend II
ANEXO II. Diagrama de los Componentes de un Terminal VSAT
ANEXO III. Capturas de la Herramienta de Dimensionamiento de GILAT
ANEXO IV. Sizing para Solución 1 (Nuevo segmento de red)
ANEXO V. Hoja de Datos del satélite Eutelsat 117 WestA
ANEXO VI. Plan de Frecuencia del satélite Eutelsat 117 WestA
ANEXO VII. Sección de Catálogo de guías de onda
ANEXO VIII. Anexo Fotográfico
ANEXO IX. Plano de la estructura de anclaje a la camioneta
ANEXO X. Plano del trípode de montaje antena 1.2 M
ANEXO XI. Plano de la caja de equipos
ANEXO XII. Diagrama de Conexiones Eléctricas
ANEXO XIII. Diagrama General del Enlace Terminal VSAT - Estación Terrena
111
ANEXO I
112
113
ANEXO II
114
ANEXO III
- Explicación de uso de la herramienta
- Datos Generales de tráfico: Se establecen las características de los perfiles de tráfico
disponibles en determinado segmento de red del sistema satelital, los parámetros
definidos en esta sección son el número de terminales VSAT, el MIR y tasa de
contención en Inbound y Outbound, y el porcentaje de tráfico TCP que circulara por la
red.
- Datos de tráfico VoIP: En caso de que el sistema satelital contemple la
implementación de un servicio de VoIP, es necesario definir el número de terminales
VSAT que prestan dicho servicio y las características de tráfico del sistema (Erlang por
línea, probabilidad de bloqueo y codificación usada).
115
- Tipos de portadora para Inbound: Los sistemas VSAT SE II emplean técnicas de ICM
en el Inbound, para lo cual es necesario definir la tasa de símbolos, modulación,
codificación, porcentaje de uso y canales dinámicos para cada tipo de portadora.
- MODCOD en Outbound: Para el funcionamiento adaptativo (ACM) del Outbound es
necesario configurar la tasa de símbolos y la modulación y codificación más eficiente,
típica y base; sin embargo, en esta sección es posible también configurar una sola
modulación y codificación constante (CCM).
116
- Requerimientos de Hardware y Capacidad Satelital: Uno de los resultados más
importantes del dimensionamiento del enlace satelital corresponden a la capacidad del
segmento espacial (ancho de banda) y a los requerimientos de hardware en el hub.
117
ANEXO IV
118
119
ANEXO V
120
121
ANEXO VI
122
ANEXO VII
123
124
125
ANEXO VIII
ESTRUCTURA DE ANCLAJE A LA CAMIONETA
Estructura de anclaje no montada - Vista General
Estructura de anclaje montada – Vista Frontal
Estructura de anclaje montada – Vista Lateral
126
Estructura de anclaje montada – Vista Superior
Pernos y placa de sujeción de la estructura de anclaje
TRIPODE DE MONTAJE DE LA ANTENA
Trípode sobre estructura
127
Pieza de apoyo del Brazo Central
Pieza de apoyo del Brazo Lateral
ANTENA, FEEDER Y ESTRUCTURA DE SUJECIÓN
Canister para la sujeción de la antena
128
Feeder, BUC, LNB y filtro de recepción
Antena y brazos de sujeción del feeder
CAJA DE EQUIPOS
Caja de equipos abierta
129
Detalle de equipos almacenados
Caja de equipos cerrada
Rieles y placas de sujeción de la caja de equipos
130
Platinas de fijación de la caja de equipos
CONEXIONES ELÉCTRICAS
Conexiones del selector manual de 3 posiciones
Selector manual de 3 posiciones
131
Breaker de protección, toma outdoor y conexión a tierra
Conexión del generador eléctrico
Regleta supresora de picos
132
CONEXIONES DE RADIO FRECUENCIA
Cables RF-IN y RF-OUT conectados al Feeder
Cables RF-IN y RF-OUT conectados a la VSAT
Divisor conectado a RF-OUT
133
ANEXO IX
134
135
136
ANEXO X
137
138
139
140
ANEXO XI
141
142
ANEXO XII
143
144
ANEXO XIII
145
ORDEN DE EMPASTADO
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