Características
de las comunicaciones por satélite
Un satélite puede definirse como un repetidor de radio en el cielo
(transponder), un sistema satelital consiste de un transponder, una estación
basada en tierra, para controlar su funcionamiento, y una red de usuario, de
las estaciones terrestres, que proporciona las facilidades para transmisión y
recepción del trafico de comunicaciones, a través del sistema de satélite.
Las transmisiones de satélite se catalogan como bus o carga útil. La de bus
incluye mecanismos de control que apoyan la operación de carga útil. La de
carga útil es la información del usuario que será transportada a través del
sistema.
Órbita
Una órbita es la trayectoria que describe
un objeto físico alrededor de otro mientras está bajo la influencia
de una fuerza central, como la fuerza gravitatoria.
Hay varias maneras de poder explicar el funcionamiento de una órbita:
- Cuando un objeto se mueve de
forma lateral, cae hacia un objeto orbitado. Sin embargo se mueve tan rápido
que la curvatura del objeto orbitado siempre caerá debajo de este.
- Una fuerza, como la gravedad,
atrae un objeto hacia una trayectoria curvada mientras intenta mantener el
vuelo en línea recta.
- Cuando un objeto cae, se mueve de
forma lateral lo suficientemente rápido (tiene suficiente velocidad tangencial) para evitar el
objeto orbitado.
Tipos de Orbitas
Por características
- Órbita circular
- Órbita eclíptica
- Órbita elíptica
- Órbita muy elíptica u órbita muy excéntrica
- Órbita cementerio
- Órbita de transferencia
de Hohmann
- Trayectoria hiperbólica
- Órbita inclinada
- Trayectoria parabólica
- Órbita de captura
- Órbita de escape
- Órbita semisíncrona
- Órbita subsíncrona
- Órbita síncrona
Por cuerpo central
- Órbitas
terrestres
- Órbita geocéntrica
- Órbita geosíncrona
- Órbita geoestacionaria
- Órbita de transferencia
geoestacionaria
- Órbita baja terrestre
- Órbita media terrestre
- Órbita de Molniya
- Órbita casi ecuatorial
- Órbita de la Luna
- Órbita polar
- Órbita tundra
Órbitas
marcianas
- Órbita aerosíncrona
- Órbita aeroestacionaria
Órbitas lunares
Órbitas solares
- Órbita heliocéntrica
- Órbita heliosíncrona
Satélite Geoestacional
Se dice que un satélite es
geoestacionario, o bien que recorre una órbita geoestacionaria, cuando
permanece inmóvil sobre un determinado punto de nuestro globo.
Para obtener este efecto son
necesarias dos condiciones: que la órbita del satélite se encuentre sobre el
plano del Ecuador terrestre, y que el periodo orbital sea sincrónico con la
rotación de la Tierra. En otros términos, que el satélite realice una vuelta
alrededor de nuestro planeta al mismo tiempo que éste efectúa una rotación
completa alrededor de su propio eje. Una órbita realizada de esta manera tiene
una altura con respecto al suelo de 35.900 km.
Las órbitas geoestacionarias son
muy útiles para los satélites de telecomunicaciones. Permaneciendo suspendido y
quieto entre dos continentes, un satélite puede actuar de puente radio para
comunicaciones telefónicas, para transmisiones dadas o para la difu sión
mundial de señales de televisión.
Son suficientes tres satélites
geoestacionarios, colocados a una distancia de 120 grados el uno del otro, para
cubrir todo el globo y asegurar un sistema de comunicaciones rnundial.
El primer satélite geoestacionario
fue el americano conocido con la sigla Syncom 3, y se lanzó en agosto de 1964.
En realidad, a causa de las influencias gravitacionales de la Luna y del Sol,
el satélite no se queda exactamente fijo en un punto geográfico sobre la
Tierra, sino que tiende a desplazarse. Para volver a la posición deseada, el
satélite está provisto de pequeños motores a chorro que le hacen realizar las
maniobras de corrección de posición a través de la orden enviada desde la
Tierra.
La idea de los satélites
geoestacionarios fue formulada por primera vez en la British Interplanetary
Societ (Sociedad Interplanetaria Inglesa) por el escritor y divulgador
científico Arthur C. Clarke en el año 1945.
Satélites no Geoestacionarios
Los satélites no geoestacionarios giran alrededor de la Tierra en un patrón
elíptico o circular de baja altitud. Si el satélite está girando en la misma
dirección de la rotación de la Tierra y a una velocidad angular superior que la
de la Tierra, la órbita se llama órbita progrado. Si el satélite está girando
en la dirección opuesta a la rotación de la Tierra o en la misma dirección,
pero a una velocidad angular menor a la de la Tierra, la órbita se llama órbita
retrograda. Consecuentemente, los satélites no síncronos están alejándose
continuamente o cayendo a Tierra, y no permanecen estacionarios en relación a
ningún punto particular de la Tierra.
Por lo tanto los satélites no síncronos se tienen que usar cuando están
disponibles, lo cual puede ser un corto periodo de tiempo, como 15 minutos por
órbita. Otra desventaja de los satélites orbitales es la necesidad de usar un
equipo costoso y complicado para rastreo en las estaciones terrestres. Cada
estación terrestre debe localizar el satélite conforme está disponible en cada
órbita, y después unir su antena al satélite y localizarlo cuando pasa por
arriba. Una gran ventaja de los satélites orbitales es que los motores de
propulsión no se requieren a bordo de los satélites para mantenerlos en sus
órbitas respectivas.
Bandas de frecuencia
Las bandas de frecuencia son
intervalos de frecuencias del espectro
electromagnético asignados a
diferentes usos dentro de las radiocomunicaciones.
Su uso está regulado por la Unión
Internacional de Telecomunicaciones y
puede variar según el lugar. El espacio asignado a las diferentes bandas abarca
el espectro de radiofrecuencia y parte del de microondas y está dividido en sectores.
Por Frecuencia
Una banda de
radiofrecuencia es una pequeña sección de frecuencias del Espectro Radioeléctrico utilizada en comunicaciones por radio, en la que los canales de comunicación se utilizan para un mismo propósito.
Por encima de los 300 GHz, la
absorción de la Radiación electromagnética por la atmósfera es tan grande que es, de hecho, opaca
hasta que se convierte en transparente, de nuevo cerca del infrarrojo y en los rangos de frecuencia
visuales.
Para evitar interferencias y permitir un uso eficiente del
espectro radioeléctrico, se colocan servicios similares en las mismas bandas.
Por ejemplo, radiodifusión, telefonía móvil o radionavegación, se colocan en
rangos de frecuencias no solapados.
Cada una de estas bandas tiene un plan de banda que determina cómo se utiliza y se
comparte para evitar interferencias entre canales y especificar el protocolo de comunicación que permita la comunicación entre el emisor y el receptor.
Existe una convención para separar
las bandas según la longitud de onda en divisiones de 10n metros,
o frecuencias de 3×10n hercios. Por ejemplo, 30 MHz o
10 m divide ondacorta de VHF (de menor longitud de onda y mayor
frecuencia). Estas son las partes del espectro radioeléctrico, y no la asignación de frecuencias.
Antena
Una antena es un dispositivo (conductor metálico)
diseñado con el objetivo de emitir o recibir ondas
electromagnéticas hacia el
espacio libre. Una antena transmisora transforma voltajes en ondas electromagnéticas,
y una receptora realiza la función inversa.
Existe una gran diversidad de tipos
de antenas. En unos casos deben expandir en lo posible la potencia radiada, es
decir, no deben ser directivas (ejemplo: una emisora de radio comercial o una estación
base de teléfonos móviles), otras veces deben serlo para canalizar la potencia
en una dirección y no interferir a otros servicios (antenas entre estaciones de
radio enlaces). También es una antena la que está integrada en la computadora
portátil para conectarse a las redes.
Las características de las antenas
dependen de la relación entre sus dimensiones y la longitud de onda de la señal de radiofrecuencia
transmitida o recibida. Si las dimensiones de la antena son mucho más pequeñas
que la longitud de onda las antenas se denominan elementales, si tienen
dimensiones del orden de media longitud de onda se llaman resonantes, y si su
tamaño es mucho mayor que la longitud de onda son directivas.
Acceso múltiple por División de Código
La multiplexación por división de código, acceso múltiple por división de código o CDMA (del
inglés Code Division Multiple Access) es un término genérico para
varios métodos demultiplexación o control de acceso al medio basados en la tecnología de espectro expandido.
La traducción del inglés spread spectrum se hace con distintos adjetivos según
las fuentes; pueden emplearse indistintamente espectro
ensanchado, expandido, difuso o disperso para
referirse en todos los casos al mismo concepto.
Habitualmente se emplea en comunicaciones
inalámbricas (por radiofrecuencia), aunque también puede
usarse en sistemas de fibra
óptica o de cable.
Introducción: el
control de acceso al medio
Uno de los problemas que resolver en
comunicaciones de datos es cómo repartir entre varios usuarios el uso de un
único canal de comunicación o medio
de transmisión, para que puedan gestionarse varias comunicaciones al mismo
tiempo. Sin un método de organización, aparecerían interferencias que podrían bien resultar molestas, o
bien directamente impedir la comunicación. Este concepto se denomina multiplexado o control
de acceso al medio, según el contexto como tal.
Se aplica el nombre
"multiplexado" para los casos en que un sólo dispositivo determina el
reparto del canal entre distintas comunicaciones, como por ejemplo un
concentrador situado al extremo de un cable de fibra óptica; para los
terminales de los usuarios finales, el multiplexado es transparente. Se emplea
en cambio el término "control de acceso al medio" cuando son los
terminales de los usuarios, en comunicación con un dispositivo que hace de modo
de red, los que deben usar un cierto esquema de comunicación para evitar
interferencias entre ellos, como por ejemplo un grupo de teléfonos móviles en
comunicación con una antena del operador.
Para resolverlo, CDMA emplea una
tecnología de espectro expandido y un esquema especial de codificación, por el
que a cada transmisor se le asigna un código único, escogido de forma que sea
ortogonal respecto al del resto; el receptor capta las señales emitidas por
todos los transmisores al mismo tiempo, pero gracias al esquema de codificación
(que emplea códigos ortogonalesentre
sí) puede seleccionar la señal de interés si conoce el código empleado a pesar
que todas las señales compartan las misma frecuencias.
Otros esquemas de multiplexación
emplean la división en frecuencia (FDMA), en tiempo (TDMA) o en el espacio (SDMA)
para alcanzar el mismo objetivo: la separación de las distintas comunicaciones
que se estén produciendo en cada momento, y evitar o suprimir las
interferencias entre ellas. Los sistemas en uso real (como IS-95 o UMTS)
suelen emplear varias de estas estrategias al mismo tiempo para asegurar una
mejor comunicación.
Una analogía posible para el problema
del acceso múltiple sería una habitación (que representaría el canal) en la que varias personas
desean hablar al mismo tiempo. Si varias personas hablan a la vez, se
producirán interferencias y se hará difícil la comprensión. Para
evitar o reducir el problema, podrían hablar por turnos (estrategia de división por tiempo), hablar unos en
tonos más agudos y otros más graves de forma que sus voces se distinguieran (división
por frecuencia), dirigir sus voces en distintas direcciones de la habitación (división
espacial) o hablar en idiomas distintos (división por código, el objeto de este
artículo): como en CDMA, sólo las personas que conocen el código (es decir, el
"idioma") pueden entenderlo.
La división por código se emplea en
múltiples sistemas de comunicación por radiofrecuencia, tanto de telefonía móvil (como IS-95, CDMA2000, FOMA o UMTS), transmisión de datos (WiFi) o
navegación por satélite (GPS).
Uso Popular del Término
El término CDMA, sin embargo, suele utilizarse popularmente
para referirse a una interfaz de aire inalámbrica de telefonía móvil desarrollada por la empresa Qualcomm, y aceptada posteriormente
como estándar por la TIA norteamericana bajo el nombre IS-95 (o, según la marca registrada por
Qualcomm, "cdmaONE" y su sucesora CDMA2000).
En efecto, los sistemas desarrollados por Qualcomm emplean tecnología CDMA,
pero no son los únicos en hacerlo.
Detalles Técnicos
En
CDMA, la señal se emite con un ancho
de banda mucho mayor que el
precisado por los datos a transmitir; por este motivo, la división por código
es una técnica de acceso múltiple deespectro expandido. A los datos a transmitir
simplemente se les aplica la función lógica XOR con el código de transmisión, que es
único para ese usuario y se emite con un ancho de banda significativamente
mayor que los datos.
A
la señal de datos, con una duración de pulso Tb, se le aplica la función XOR
con el código de transmisión, que tiene una duración de pulso Tc. (Nota: el
ancho de banda requerido por una señal es 1/T, donde T es el tiempo empleado en
la transmisión de un bit). Por
tanto, el ancho de banda de los datos transmitidos es 1/Tb y el de la señal de
espectro expandido es 1/Tc. Dado que Tc es mucho menor que Tb, el ancho de
banda de la señal emitida es mucho mayor que el de la señal original, y de ahí
el nombre de "espectro expandido".
Cada usuario de un sistema CDMA
emplea un código de transmisión distinto (y único) para modular su señal. La
selección del código a emplear para la modulación es vital para el buen
desempeño de los sistemas CDMA, porque de él depende la selección de la señal
de interés, que se hace por correlación
cruzada de la señal captada con
el código del usuario de interés, así como el rechazo del resto de señales y de
las interferencias multi-path (producidas por los distintos rebotes
de señal).
El mejor caso se presenta cuando
existe una buena separación entre la señal del usuario deseado (la señal de
interés) y las del resto; si la señal captada es la buscada, el resultado de la
correlación será muy alto, y el sistema podrá extraer la señal. En cambio, si
la señal recibida no es la de interés, como el código empleado por cada usuario
es distinto, la correlación debería ser muy pequeña, idealmente tendiendo a
cero (y por tanto eliminando el resto de señales). Y además, si la correlación
se produce con cualquier retardo temporal distinto de cero, la correlación
también debería tender a cero. A esto se le denomina autocorrelación y se emplea para rechazar las
interferencias multi-path.
En general, en división de código se
distinguen dos categorías básicas: CDMA síncrono (mediante códigos ortogonales)
y asíncrono (mediante secuencias pseudoaleatorias).
Acceso múltiple por división de código (CDMA síncrono)
El CDMA síncrono explota las propiedades matemáticas de ortogonalidad entre vectores cuyas coordenadas representan los
datos a transmitir. Por ejemplo, la cadena binaria "1011" sería
representada por el vector (1, 0, 1, 1). Dos vectores pueden multiplicarse
mediante el producto escalar (·), que suma los productos de sus
respectivas coordenadas. Si el producto escalar de dos vectores es 0, se dice
que son ortogonales entre sí. (Nota: si dos vectores se definen u = (a, b) y v = (c, d); su producto escalar será u·v = a*c + b*d).
Por tanto, aunque el receptor capte combinaciones lineales de los vectores a y b (es decir, las señales procedentes de
A y B al mismo tiempo, sumadas en el aire), si conoce el código de transmisión
del usuario de interés siempre podrá aislar sus datos de los del resto de
usuarios, simplemente mediante el producto escalar de la señal recibida con el
código del usuario; al ser el código del usuario ortogonal respecto a todos los demás, el producto aislará la
señal de interés y anulará el resto. Este resultado para dos usuarios es
extensible a todos los usuarios que se desee, siempre que existan códigos
ortogonales suficientes para el número de usuarios deseado, lo que se logra
incrementando la longitud del código.
Cada usuario de CDMA síncrono emplea
un código único para modular la señal, y los códigos de los usuarios en una
misma zona deben ser ortogonales entre sí. En la imagen se muestran cuatro
códigos mutuamente ortogonales. Como su producto escalar es 0, los códigos
ortogonales tienen una correlación cruzada igual a cero, y, en otras palabras,
no provocan interferencias entre sí.
Este resultado implica que no es
necesario emplear circuitería de filtrado en frecuencia (como se emplearía en
FDMA), ni de conmutación de acuerdo con algún esquema temporal (como se
emplearía en TDMA) para aislar la señal de interés; se reciben las señales de todos los usuarios al mismo tiempo y se
separan mediante procesado digital.
En el caso de IS-95, se emplean
códigos ortogonales de Walsh de 64 bits para codificar las señales y separar a
sus distintos usuarios.
CDMA asíncrono
Los sistemas CDMA síncronos funcionan
bien siempre que no haya excesivo retardo en la llegada de las señales; sin
embargo, los enlaces de radio entre teléfonos móviles y sus bases no pueden
coordinarse con mucha precisión. Como los terminales pueden moverse, la señal
puede encontrar obstáculos a su paso, que darán origen a cierta variabilidad en
los retardos de llegada (por los distintos rebotes de la señal, el efecto
Doppler y otros factores). Por tanto, se hace aconsejable un enfoque algo
diferente.
Por la movilidad de los terminales,
las distintas señales tienen un retardo de llegada variable. Dado que,
matemáticamente, es imposible crear secuencias de codificación que sean
ortogonales en todos los instantes aleatorios en que podría llegar la señal, en
los sistemas CDMA asíncronos se emplean secuencias únicas
"pseudo-aleatorias" o de "pseudo-ruido" (en inglés, PN
sequences). Un código PN es una secuencia binaria que parece aleatoria,
pero que puede reproducirse de forma determinística si el receptor lo necesita.
Estas secuencias se usan para codificar y decodificar las señales de interés de
los usuarios de CDMA asíncrono de la misma forma en que se empleaban los
códigos ortogonales en el sistema síncrono.
Las secuencias PN no presentan
correlación estadística, y la suma de un gran número de secuencias PN resulta
en lo que se denomina interferencia de acceso múltiple (en inglés, MAI, multiple
access interference), que
puede estimarse como un proceso gaussiano de ruido que sigue el teorema central del límite estadístico. Si las señales de todos
los usuarios se reciben con igual potencia, la varianza (es decir, la potencia
del ruido) de la MAI se incrementa en proporción directa al número de usuarios.
En otras palabras, a diferencia de lo que ocurre en CDMA síncrono, las señales
del resto de usuarios aparecerán como ruido en relación con la señal de
interés, y provocarán interferencia con la señal de interés: cuantos más
usuarios simultáneos, mayor interferencia.
Por otra parte, el hecho de que las
secuencias sean aparentemente aleatorias y de potencia distribuida en un ancho
de banda relativamente amplio conlleva una ventaja adicional: son más difíciles
de detectar en caso de que alguien intente captarlas, porque se confunden con
el ruido de fondo. Esta propiedad ha sido aprovechada durante el siglo XX en
comunicaciones militares.
Todos los tipos de CDMA aprovechan la ganancia de procesado
que introducen los sistemas de espectro extendido; esta ganancia permite a los
receptores discriminar parcialmente las señales indeseadas. Las señales
codificadas con el código PN especificado se reciben, y el resto de señales (o
las que tienen el mismo código pero distinto retardo, debido a los diferentes
trayectos de llegada) se presentan como ruido de banda ancha que se reduce o elimina
gracias a la ganancia de procesado.
Como todos los usuarios generan MAI,
es muy importante controlar la potencia de emisión. Los sistemas CDMA síncrono,
TDMA o FDMA pueden, por lo menos en teoría, rechazar por completo las señales
indeseadas (que usan distintos códigos, ranuras temporales o canales de
frecuencia) por la ortogonalidad de estos esquemas de acceso al medio. Pero
esto no es cierto para el CDMA asíncrono; el rechazo de las señales indeseadas
sólo es parcial. Si parte (o el total) de las señales indeseadas se reciben con
potencia mucho mayor que la de la señal deseada, ésta no se podrá separar del
resto. Para evitar este problema, un requisito general en el diseño de estos
sistemas es que se controle la potencia de todos los emisores; se busca
asegurar que la potencia captada por el receptor sea aproximadamente la misma
para todas las señales entrantes. En los sistemas de telefonía celular, la
estación base emplea un esquema de control de potencia por bucle cerrado (fast
closed-loop power control, en inglés) para controlar estrictamente la
potencia de emisión de cada teléfono.
