Las comunicaciones por satélite son uno de los tipos de radiocomunicaciones espaciales , basadas en el uso de satélites terrestres artificiales como repetidores , por regla general, satélites de comunicaciones especializados . Las comunicaciones por satélite se realizan entre las llamadas estaciones terrenas , que pueden ser fijas o móviles.
La comunicación por satélite es el desarrollo de la comunicación de retransmisión de radio tradicional al colocar el repetidor a una altitud muy alta. Dado que el área máxima de su visibilidad en este caso es casi la mitad del globo, no se necesita una cadena de repetidores; en la mayoría de los casos, uno es suficiente.
En 1945, en el artículo "Extra-terrestrial Relays", publicado en la edición de octubre de la revista Wireless World [1] , el científico, escritor e inventor inglés Arthur C. Clarke propuso la idea de crear un sistema de satélites de comunicación en órbitas geoestacionarias , que permitirían organizar un sistema de comunicación global. Posteriormente, Clarke, cuando se le preguntó por qué no patentó el invento (lo cual era bastante posible), respondió que no creía en la posibilidad de implementar tal sistema durante su vida, y también creía que tal idea debería beneficiar a toda la humanidad. .
Los primeros estudios en el campo de las comunicaciones civiles por satélite en los países occidentales comenzaron a aparecer en la segunda mitad de la década de 1950. En los EE. UU., fueron impulsados por una mayor demanda de telefonía transatlántica.
En 1957, se lanzó en la URSS el primer satélite terrestre artificial con equipo de radio a bordo .
El 12 de agosto de 1960, especialistas estadounidenses pusieron en órbita un globo inflable a una altura de 1500 km [2] . Esta nave espacial se llamó " Echo-1 ". Su caparazón metalizado con un diámetro de 30 m servía como repetidor pasivo . El 10 de julio de 1962 se puso en órbita el primer satélite activo de comunicaciones del mundo, Telstar . Proporcionó comunicación telefónica bidireccional a través de 60 canales o la transmisión de un programa de televisión.
El 20 de agosto de 1964, 11 países (la URSS no estaba incluida en su número) firmaron un acuerdo sobre la creación de la organización internacional de comunicaciones por satélite Intelsat (Organización internacional de telecomunicaciones por satélite) [3] . En ese momento, la URSS tenía su propio programa de comunicaciones por satélite desarrollado, que culminó el 23 de abril de 1965 con el exitoso lanzamiento del satélite de comunicaciones soviético Molniya-1 .
El 6 de abril de 1965, como parte del programa Intelsat , se lanzó el primer satélite comercial de comunicaciones Early Bird (“early bird”) [4] , fabricado por COMSAT Corporation , con un ancho de banda de 50 MHz, podía proporcionar hasta 240 canales de comunicación telefónica [5] . En cualquier momento en particular, la comunicación podría llevarse a cabo entre una estación terrestre en los Estados Unidos y solo una de las tres estaciones terrestres en Europa (en el Reino Unido , Francia o Alemania ), que estaban interconectadas por líneas de comunicación por cable [6] .
El satélite Intelsat IX ya tenía un ancho de banda de 3456 MHz [5] .
Durante mucho tiempo en la URSS, las comunicaciones por satélite se desarrollaron solo en interés del Ministerio de Defensa de la URSS . Debido a la mayor cercanía del programa espacial, el desarrollo de las comunicaciones por satélite en los países socialistas avanzó de manera diferente que en los países occidentales. El desarrollo de las comunicaciones civiles por satélite comenzó con un acuerdo entre 9 países del bloque socialista sobre la creación del sistema de comunicaciones Intersputnik , que se firmó recién en 1971 [7] .
En los primeros años de investigación, se utilizaron transpondedores satelitales pasivos (por ejemplo, los satélites Echo y Echo-2 ), que eran un reflector de señal de radio simple (a menudo una esfera de metal o polímero con un revestimiento de metal) que no llevaba ningún equipo transceptor. a bordo Dichos satélites no han recibido distribución. Todos los satélites de comunicación modernos están activos. Los repetidores activos están equipados con equipos electrónicos para recibir, procesar, amplificar y retransmitir una señal.
Los repetidores de satélite pueden ser no regenerativos y regenerativos [8] . Un satélite no regenerativo, habiendo recibido una señal de una estación terrena, la transfiere a otra frecuencia, la amplifica y la transmite a otra estación terrena. Un satélite puede utilizar varios canales independientes que realizan estas operaciones, cada uno de los cuales opera con una determinada parte del espectro (estos canales de procesamiento se denominan transpondedores [9] ).
El satélite regenerativo demodula aún más la señal recibida y la modula de nuevo. Debido a esto, los errores acumulados durante el proceso de transmisión se corrigen dos veces: en el satélite y en la estación terrena receptora. La desventaja de este método es la complejidad (y, por lo tanto, el costo mucho mayor del satélite), así como el mayor retraso en la transmisión de la señal.
Las órbitas que albergan transpondedores de satélite se dividen en tres clases [10] :
Una variación importante de la órbita ecuatorial es la órbita geoestacionaria , en la que el satélite gira a una velocidad angular igual a la de la Tierra en una dirección que es la misma que la de la rotación de la Tierra. La ventaja obvia de la órbita geoestacionaria es que el receptor en el área de servicio "ve" el satélite constantemente en casi el mismo punto.
Sin embargo, existe una sola órbita geoestacionaria, y su capacidad, determinada por la circunferencia de la órbita dividida por el tamaño de los satélites, teniendo en cuenta los “intervalos de seguridad” entre ellos, es finita. Por lo tanto, es imposible traer todos los satélites que nos gustaría traer. . Su otra desventaja es su gran altitud (35.786 km), y por tanto el elevado coste de poner en órbita un satélite. La gran altitud de la órbita geoestacionaria también provoca grandes retrasos en la transmisión de la información (el tiempo que tarda una señal en viajar de una estación terrestre a otra a través de un satélite geoestacionario, ni siquiera teóricamente, no puede ser inferior a 240 ms (dos órbitas alturas divididas por la velocidad de la luz).Además, la densidad de flujo de potencia de la superficie terrestre en el punto de recepción de la señal cae en la dirección del ecuador a los polos debido al menor ángulo de inclinación del vector de energía electromagnética al la superficie de la tierra, así como debido al camino creciente de la señal a través de la atmósfera y la absorción asociada. Por lo tanto, un satélite en órbita geoestacionaria prácticamente no puede servir a las estaciones terrenas en las regiones circumpolares.
Una órbita inclinada resuelve estos problemas, sin embargo, debido al movimiento del satélite en relación con el observador terrestre, es necesario lanzar al menos tres satélites por órbita para proporcionar acceso a la comunicación las 24 horas.
Una órbita polar es un caso extremo de una órbita inclinada (90º de inclinación ).
Cuando se utilizan órbitas inclinadas, las estaciones terrenas están equipadas con sistemas de seguimiento que apuntan la antena al satélite y lo siguen [11] .
Los satélites modernos que operan en órbita geoestacionaria tienen una precisión bastante alta para mantenerse en un punto determinado (por regla general, no menos de 0,1 grados en longitud e inclinación [12] ); El seguimiento de un satélite geoestacionario por una antena receptora se vuelve necesario solo si el ancho del patrón de la antena es comparable a las oscilaciones del satélite alrededor de la estación. Por ejemplo, para la banda Ku , se trata de antenas con un diámetro de más de 5 metros [13] . Para un tamaño más pequeño, basta con apuntar la antena a la posición del satélite una vez. Sin embargo, el seguimiento sigue siendo necesario en caso de un estado de preemergencia del satélite, cuando, por diversas razones, su propietario no realiza (en absoluto o con menos frecuencia que la programada) el procedimiento de mantenimiento del satélite en el punto de estar de pie.
Dado que la banda de radiofrecuencia es un recurso limitado, es necesario garantizar que diferentes estaciones terrenas puedan utilizar las mismas frecuencias. Esto se puede hacer de dos maneras [14] :
Un mapa de cobertura típico para un satélite en órbita geoestacionaria incluye los siguientes componentes [15] :
En este caso, todas las frecuencias (a excepción de las reservadas para el haz global) se utilizan repetidamente: en los hemisferios occidental y oriental y en cada una de las zonas.
La elección de la frecuencia para transmitir datos de una estación terrena a un satélite y de un satélite a una estación terrena no es arbitraria. Por ejemplo, la absorción de ondas de radio en la atmósfera depende de la frecuencia , así como de las dimensiones requeridas de las antenas transmisoras y receptoras. Las frecuencias a las que se producen las transmisiones de estación terrena a satélite son diferentes de las utilizadas para las transmisiones de satélite a estación terrena (generalmente la primera es más alta).
Las frecuencias utilizadas en las comunicaciones por satélite se dividen en bandas, indicadas por letras. Desafortunadamente, en varias publicaciones, los límites exactos de los rangos pueden no coincidir. Los valores orientativos se dan en ITU -R V.431-6 [16] :
| Nombre de rango | Frecuencias (según ITU-R V.431-6) | Solicitud |
|---|---|---|
| L | 1,5 GHz | Comunicaciones móviles por satélite |
| S | 2,5 GHz | Comunicaciones móviles por satélite |
| DE | 4 GHz, 6 GHz | Comunicaciones fijas por satélite |
| X | Para las comunicaciones por satélite, las recomendaciones de la UIT-R no definen frecuencias. Para aplicaciones de radar, se especifica el rango de 8-12 GHz. | Comunicaciones fijas por satélite |
| Ku | 11 GHz, 12 GHz, 14 GHz | Comunicación fija por satélite, radiodifusión por satélite |
| k | 20 GHz | Comunicación fija por satélite, radiodifusión por satélite |
| Ka | 30 GHz | Comunicaciones fijas por satélite, comunicaciones entre satélites |
También se utilizan frecuencias más altas, pero su aumento se ve obstaculizado por la alta absorción de las ondas de radio de estas frecuencias por parte de la atmósfera. La banda Ku permite la recepción con antenas relativamente pequeñas y, por lo tanto, se utiliza en la televisión por satélite ( DVB ), a pesar de que en esta banda las condiciones climáticas tienen un impacto significativo en la calidad de la transmisión.
Para la transmisión de datos por parte de grandes usuarios (organizaciones), a menudo se utiliza la banda C. Esto proporciona una mejor calidad de recepción, pero requiere una antena bastante grande.
Una característica de los sistemas de comunicación por satélite es la necesidad de trabajar en condiciones de una relación señal/ruido relativamente baja debido a varios factores:
Como resultado, las comunicaciones por satélite no son adecuadas para transmitir señales analógicas . Por lo tanto, para transmitir voz, se pre- digitaliza usando, por ejemplo, modulación de código de pulso (PCM) [17] .
Para transmitir datos digitales a través de un canal de comunicación satelital, primero deben convertirse en una señal de radio que ocupe un cierto rango de frecuencia. Para ello, se utiliza la modulación (la modulación digital también se denomina manipulación ). Los tipos más comunes de modulación digital para aplicaciones de comunicaciones por satélite son la modulación por desplazamiento de fase y la modulación de amplitud en cuadratura [18] . Por ejemplo, los sistemas DVB-S2 utilizan QPSK, 8-PSK, 16-APSK y 32-APSK [19] .
La modulación se realiza en la estación terrestre. La señal modulada se amplifica, se transfiere a la frecuencia deseada y se alimenta a la antena transmisora . El satélite recibe una señal, la amplifica, a veces la regenera , la transfiere a otra frecuencia y, utilizando una antena transmisora específica, la transmite a tierra.
Debido a la baja intensidad de la señal, existe la necesidad de sistemas de corrección de errores. Para esto, se utilizan varios esquemas de codificación de corrección de ruido , la mayoría de las veces varias variantes de códigos convolucionales (a veces en combinación con códigos Reed-Solomon ), así como códigos turbo [20] [21] y códigos LDPC [22] .
Para garantizar la posibilidad de uso simultáneo de un transpondedor de satélite por varios usuarios, se utilizan sistemas de acceso múltiple [23] :
Además, muchos usuarios no necesitan un acceso constante a las comunicaciones por satélite. Para estos usuarios, se asigna un canal de comunicación (intervalo de tiempo) bajo demanda utilizando la tecnología DAMA (Demand Assigned Multiple Access).
Inicialmente, la aparición de las comunicaciones por satélite estuvo dictada por la necesidad de transmitir grandes cantidades de información. El primer sistema de comunicación por satélite fue el sistema Intelsat , luego se crearon organizaciones regionales similares ( Eutelsat , Arabsat y otras). Con el tiempo, la participación de la transmisión de voz en el volumen total de tráfico de la red troncal ha ido disminuyendo constantemente, dando paso a la transmisión de datos.
Con el desarrollo de las redes de fibra óptica, estas últimas comenzaron a desplazar las comunicaciones por satélite del mercado de las comunicaciones troncales [24] .
Los sistemas VSAT (Very Small Aperture Terminal) brindan servicios de comunicación satelital a clientes (generalmente organizaciones pequeñas) que no requieren un gran ancho de banda . La velocidad de transferencia de datos de un terminal VSAT no suele superar los 2048 kbps [25] .
Las palabras "apertura muy pequeña" se refieren al tamaño de las antenas terminales en comparación con las antenas troncales más antiguas. Los terminales VSAT que operan en la banda C generalmente usan antenas con un diámetro de 1.8-2.4 m, en banda Ku - 0.75-1.8 m.
Los sistemas VSAT utilizan tecnología de canalización bajo demanda.
Una característica de la mayoría de los sistemas de comunicaciones móviles por satélite es el pequeño tamaño de la antena terminal, lo que dificulta la recepción de la señal. Para que la intensidad de la señal que llega al receptor sea suficiente, se aplica una de dos soluciones:
Los operadores celulares compiten con los operadores de comunicaciones personales por satélite . Tanto Globalstar como Iridium estaban en serios problemas financieros que llevaron a Iridium a la quiebra por reorganización en 1999, pero la compañía ahora se recuperó y se está preparando para retirar su constelación de satélites de segunda generación.
En diciembre de 2006, se lanzó un satélite geoestacionario experimental Kiku-8 con un área de antena récord, que se supone que se utilizará para probar la tecnología de comunicaciones por satélite con dispositivos móviles no más grandes que teléfonos celulares.
La comunicación por satélite encuentra aplicación en la organización de la " última milla " (canal de comunicación entre el proveedor de Internet y el cliente), especialmente en lugares con infraestructura poco desarrollada [28] .
Las características de este tipo de acceso son:
Según el tipo de canal de salida, existen:
En ambos casos, los datos se transmiten del proveedor al cliente, por regla general, de acuerdo con el estándar de transmisión digital DVB , que le permite utilizar el mismo equipo tanto para acceder a la red como para recibir televisión por satélite.
Las enormes distancias entre las estaciones terrenas y el satélite hacen que la relación señal/ruido en el receptor sea muy baja (mucho menor que para la mayoría de los enlaces de microondas). Para proporcionar una probabilidad de error aceptable en estas condiciones, es necesario utilizar antenas grandes , elementos de bajo ruido y códigos complejos de corrección de errores . Este problema es especialmente agudo en los sistemas de comunicaciones móviles, ya que tienen restricciones en el tamaño de la antena, sus propiedades direccionales y, por regla general, en la potencia del transmisor.
La calidad de las comunicaciones por satélite está fuertemente influenciada por los efectos en la troposfera y la ionosfera [29] .
Absorción en la troposferaEl grado de absorción de la señal por la atmósfera depende de su frecuencia. Los máximos de absorción están en 22,3 GHz ( resonancia de vapor de agua ) y 60 GHz ( resonancia de oxígeno ) [30] . En general, la absorción afecta significativamente la propagación de señales por encima de 10 GHz (es decir, a partir de la banda Ku). Además de la absorción, cuando las ondas de radio se propagan en la atmósfera, se produce un efecto de desvanecimiento , cuya causa es la diferencia en los índices de refracción de las distintas capas de la atmósfera.
Efectos ionosféricosLos efectos en la ionosfera se deben a fluctuaciones en la distribución de electrones libres. Los efectos ionosféricos que afectan la propagación de las ondas de radio incluyen centelleo , absorción , retardo de propagación , dispersión , cambio de frecuencia , rotación del plano de polarización [31] . Todos estos efectos se atenúan a medida que aumenta la frecuencia. Para señales con frecuencias superiores a 10 GHz, su influencia es pequeña [32] .
| Efecto | 100 MHz | 300 MHz | 1 GHz | 3 GHz | 10 GHz |
|---|---|---|---|---|---|
| Rotación del plano de polarización | 30 vueltas | 3,3 vueltas | 108° | 12° | 1.1° |
| Retardo de señal adicional | 25ms | 2,8 ms | 0,25 ms | 28 ns | 2,5 ns |
| Absorción en la ionosfera (en el polo) | 5dB | 1,1 dB | 0,05dB | 0,006dB | 0,0005dB |
| Absorción en la ionosfera (en latitudes medias) | <1dB | 0,1dB | <0,01 dB | <0,001 dB | <0,0001dB |
Las señales de frecuencia relativamente baja (banda L y parcialmente banda C) sufren centelleo ionosférico debido a irregularidades en la ionosfera. El resultado de este parpadeo es una intensidad de señal que cambia constantemente.
El problema del retraso en la propagación de la señal afecta de una forma u otra a todos los sistemas de comunicación por satélite. Los sistemas que utilizan un transpondedor de satélite en órbita geoestacionaria tienen la latencia más alta. En este caso, el retraso debido a la finitud de la velocidad de propagación de la onda de radio es de aproximadamente 250 ms, y teniendo en cuenta los retrasos de multiplexación, conmutación y procesamiento de la señal, el retraso total puede ser de hasta 400 ms [33] .
El retraso de propagación es más indeseable en aplicaciones en tiempo real como telefonía y comunicaciones de video. En este caso, si el tiempo de propagación de la señal por el canal de comunicación por satélite es de 250 ms, la diferencia de tiempo entre las réplicas de los abonados no puede ser inferior a 500 ms.
En algunos sistemas (por ejemplo, sistemas VSAT que utilizan una topología en estrella), la señal se transmite dos veces a través de un enlace satelital (desde una terminal a un sitio central y desde un sitio central a otra terminal). En este caso, el retraso total se duplica.
Cuando el Sol se aproxima al eje de la estación terrestre del satélite, la señal de radio recibida del satélite por la estación terrestre, así como la suministrada al satélite, se distorsiona como resultado de la interferencia .
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