UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE

FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA INFORMÁTICA

MAGÍSTER EN SEGURIDAD, PERITAJE Y AUDITORÍA EN PROCESOS

INFORMÁTICOS

REDES SATELITALES

Trabajo Final Redes I y II

Andrés Barnuevo

Geovanna Suárez

1. CONTENIDO

PORTADA

1. PORTADA ................................................................................................ 2

2. ANTECEDENTES ................................................................................... 3

3. INTRODUCCIÓN .................................................................................... 3

4. OBJETIVO ............................................................................................... 4

5. DESARROLLO ........................................................................................ 4

5.1 Funcionamiento básico de la tecnología ............................................ 4

5.2 Conceptos y componentes ................................................................... 6

5.2.1 Satélite ......................................................................................... 6

5.2.2 Transpondedor ........................................................................... 7

5.2.3 Antenas Satelitales .......................¡Error! Marcador no definido.

5.2.4 Bandas de frecuencia ................................................................. 8

5.2.5 Satélites Geoestacionarios ......................................................... 8

5.2.6 Satélites de Órbita Terrestre Media ....................................... 11

5.2.7 Satélites de Órbita Terrestre Baja .......................................... 11

2. ANTECEDENTES

A partir del lanzamiento del primer satélite ruso, el Sputnik en 1957, los mercados

corporativos han visto en las redes satelitales una gran oportunidad para mejorar la calidad

de sus servicios en comunicaciones. Es así que, el creciente avance de la ciencia y la

tecnología en los últimos años ha impulsado el desarrollo de nuevas y modernas

tecnologías satelitales, dejando atrás la premisa de que un satélite se usa únicamente para la

transmisión de señales de televisión, ya que en la actualidad se realizan, con gran éxito,

transmisiones de voz, datos, video conferencia e internet de alta velocidad.

Por todo lo antes mencionado, se vuelve imprescindible conocer más a detalle algunos

de los conceptos asociados a las redes satelitales, así también el funcionamiento de las

tecnologías vigentes y el uso e importancia de las mismas en la actualidad.

3. INTRODUCCIÓN

El afán por ampliar las comunicaciones y llegar hasta los rincones más remotos de la

tierra, ha conducido a los científicos a buscar medios cada vez más ingeniosos para

lograrlo; esto ha dado origen a las redes satelitales, las mismas que gracias a sus

características se vuelven muy atractivas para muchas aplicaciones.

A breves rasgos, la tecnología de redes satelitales está representada principalmente por

poderosos y complejos satélites, así como también por estaciones terrenas, las mismas que

se encuentran en constante evolución a fin de optimizar cada vez más los servicios que

prestan.

Este trabajo tiene como finalidad dar una breve explicación del funcionamiento de las

redes satelitales de hoy en día, poniendo énfasis en las características de estas redes, su

funcionamiento básico, conceptos, componentes, dispositivos involucrados, técnicas de

transmisión, protocolos, aplicaciones comunes, los servicios que proveen y la situación

actual de las mismas en Chile.

Los temas a considerar serán tratados de forma explícita, a fin de poder hacer llegar al

lector, de una manera clara y concisa, los conocimientos básicos de esta tecnología que en

la actualidad se ha vuelto parte de la vida diaria de todos nosotros.

4. OBJETIVO

Realizar una investigación que permita entender los conceptos básicos, la funcionalidad

y los elementos, tanto físicos como lógicos, que componen las redes satelitales.

5. DESARROLLO

5.1 Funcionamiento básico de la tecnología

Básicamente una red satelital está conformada por un satélite de comunicaciones que es

esencialmente una estación que retransmite microondas. Se usa como enlace entre dos o

más receptores/transmisores terrestres, denominados estaciones base. El satélite recibe la

señal en una banda de frecuencia (canal ascendente), la amplifica o repite y,

posteriormente, la retransmite en otra banda de frecuencia (canal descendente). Cada uno

de los satélites operará en una serie de bandas de frecuencias llamadas canales

transpondedores, o simplemente transpondedores (transponders). (STALLINGS, 2004)

Figura 5.1-1 (Coimbra G., 2010)

La Figura 5.1-1 muestra la arquitectura básica de un sistema satelital. El satélite,

operado a través de una estación de control, se utiliza para proporcionar un enlace punto a

punto entre dos antenas terrestres alejadas entre sí (Segmento terreno). A más de los

componentes ya mencionados hay que recalcar la existencia de una red en tierra que va a

ser la encargada de enlazar las estaciones terrestres y proporcionar las facilidades para

transmisión y recepción del tráfico de comunicaciones proveniente del sistema satelital.

Como medio de transmisión físico se utilizan medios no guiados, principalmente el

aire. Así también, se hace uso de señales de microondas para la transmisión, entre cuyas

cracterísticas principales está que son unidireccionales, sensibles a la atenuación producida

por la lluvia, pueden ser de baja o de alta frecuencia y se ubican en el orden de los 100

MHz hasta los 10 GHz.

Por otro lado, las ventajas de las comunicaciones vía satélite son evidentes: se pueden

salvar grandes distancias sin importar la topografía o la orografía del terreno, y se pueden

usar antenas que tengan coberturas geográficas amplias, de manera tal que muchas

estaciones receptoras terrenas puedan recibir y distribuir simultáneamente la misma señal

que fue transmitida una sola vez. Las tasas de transmisión pueden ser desde muy pequeñas

(32 kbps) hasta del orden de los Mbps.

Un Enlace Satelital es un canal por el cual serán enviadas y recibidas las señales

transmitidas de la estación terrestre al satélite y viceversa.

Clasificacion de las transmisiones satelitales:

Las transmisiones de satélite se clasifican como bus y carga útil. La de bus incluye

mecanismos de control que apoyan la operación de la carga útil, que es la información del

usuario que será transportada a través del sistema.

En el caso de radiodifusión directa de televisión vía satélite, el servicio que se da es de

tipo unidireccional por lo que normalmente se requiere una estación transmisora única, que

emite los programas hacia el satélite, y varias estaciones terrenas de recepción solamente,

que toman las señales provenientes del satélite. Existen otros tipos de servicios que son

bidireccionales donde las estaciones terrenas son de transmisión y de recepción.

Esencialmente, un sistema satelital consiste de tres secciones básicas: una subida, un

transponder satelital y una bajada.

5.2 Conceptos y componentes

5.2.1 Satélite

En su forma más simple, un satélite de comunicaciones se puede considerar como un

enorme repetidor de microondas ubicado en el cielo. Contiene numerosos transpondedores,

cada uno de los cuales se encarga de una parte del espectro.

Además, si dos satélites utilizaran la misma banda de frecuencias y estuvieran

suficientemente próximos podrían interferirse mutuamente. Para evitar esto, los estándares

actuales exigen una separación mínima de 4° (desplazamiento angular medido desde la

superficie terrestre) en la banda 4/6 GHz, o una separación de al menos 3° en la banda de

12/14 GHz. Por tanto, el número máximo de posibles satélites está bastante limitado.

Los elementos de un satélite pueden analizarse como subsistemas:

Subsistema de Estructura, misma que puede tener muy distintas formas, pero que

siempre se construye con metales muy ligeros que a la vez tienen gran resistencia.

Subsistema de Propulsión, compuesto por múltiples motores o impulsores de bajo

empuje, que sirven al satélite para realizar pequeñas correcciones y cambios de velocidad

para controlar su orientación en el espacio y proporcionar el control adecuado de los

parámetros de la órbita.

Subsistema de control de orientación, que trabaja contra las perturbaciones a las que

está sometido el aparato, como el viento solar. Este sistema permite al satélite saber

constantemente donde está y hacia donde debe orientarse para que las emisiones lleguen a

la zona deseada, considerando su natural movimiento Norte-Sur y Este-Oeste alrededor de

un punto. Además, orienta los paneles solares hacia el Sol, sin importar cómo esté

posicionado el satélite.

Subsistema de potencia, como fuente de energía secundaria, las baterías proveen

energía suficiente para alimentar a los sistemas e instrumentos cuando la energía

proveniente del Sol no puede ser aprovechada, esto ocurre por ejemplo, durante eclipses;

éstas son cargadas poco antes del lanzamiento y de ellas depende la vida del satélite. La

fuente primaria de energía para el satélite lo constituyen las celdas solares que son

colocadas en grupos para conformar lo que se conoce como panel solar, los paneles, por sus

grandes dimensiones y su relativa fragilidad, deben permanecer plegados durante el

despegue.

Subsistema de telemetría, seguimiento y órdenes, es el encargado de hacer contacto con

las estaciones terrenas con el fin de recibir órdenes de ellas y darles seguimiento. Esto

permite el correcto mantenimiento de los subsistemas del satélite.

5.2.2 Transpondedor

Es un dispositivo, parte del satélite, que realiza la función de recepción y transmisión.

Las señales recibidas son amplificadas y a continuación las retransmite en otra frecuencia

para evitar interferencia con la señal entrante.

5.2.3 Estaciones terrenas

Las estaciones terrenas controlan el flujo desde y hacia el satélite, regula la

interconexión entre terminales, administra los canales de salida, codifica los datos y

controla la velocidad de transferencia.

Consta de 3 componentes:

Estación emisora: Esta compuesta por el transmisor y la antena de emisión.

Antena: Debe captar la radiación del satélite y concentrarla en un foco donde

está ubicado el alimentador. Una antena de calidad debe ignorar las

interferencias y los ruidos en la mayor medida posible.

Estación receptora: Recibe toda la información generada en la estación

transmisora y retransmitida por el satélite.

Figura 5.2-1. Estación Terrena - Vista exterior e interior

5.2.4 Bandas de frecuencia

Cuando se trata de satélites de comunicaciones, la porción del espectro radioeléctrico

que utilizarán lo determina prácticamente todo: la capacidad del sistema, la potencia y el

precio. La mayoría de textos relacionados a este tema se refieren a los segmentos del

espectro de radio por una clasificación de bandas basadas en letras. A partir de la segunda

guerra mundial, los científicos nombraron partes del espectro con letras, tales como: L,S, C,

Ku, Ka, por lo tanto estas bandas poseen una letra que las identifica de acuerdo a las

características que poseen cada una, de esta manera se tiene la Banda L, Banda S, Banda C,

Banda Ku o Banda Ka. (Jaramillo, 2013)

Figura 5.2-2. Principales bandas de satélite.

5.2.5 Satélites Geoestacionarios

Para que un satélite de comunicaciones funcione eficientemente, generalmente se exige

que se mantenga en una órbita geoestacionaria, es decir, que mantenga su posición respecto

de la tierra. Si no fuera así, no estaría constantemente alineado con las estaciones base. Para

cumplir con esto, el satélite debe tener un periodo de rotación igual al de la tierra y esto

sólo ocurre a una distancia aproximada de 35.863 km sobre el Ecuador (Figura 5.2-3).

La distancia respecto a la tierra no es lo único que va a determinar dónde colocar un

satélite. Otro aspecto es la presencia de los cinturones de Van Allen, capas de partículas

altamente cargadas de energía, atrapadas por el campo magnético de la Tierra. Cualquier

satélite que vuele dentro de ellas sería destruido rápidamente por las partículas con una alta

carga de energía.

Del análisis de estos y otros factores resulta que hay tres regiones para colocar con

seguridad los satélites. En la figura 5.2-4 se muestran estas regiones y algunas de sus

propiedades. Posteriormente se describirá brevemente los satélites que habitan cada una de

estas regiones. (TANENBAUM, 2003)

Figura 5.2-3. (Coimbra G., 2010)

Figura 5.2-4. Satélites de comunicaciones y algunas de sus propiedades, entre ellas:

altitud sobre la Tierra, tiempo de duración de un viaje de ida y vuelta y la cantidad de

satélites necesarios para abarcar toda la Tierra.

Un avance significativo en el mundo de los satélites de comunicaciones fue el

desarrollo de microestaciones de bajo costo, llamadas VSATs (Terminales de Apertura

Muy Pequeña). Estas diminutas terminales tienen antenas de un metro o más pequeñas (en

comparación con los 10 metros que mide una antena GEO estándar) y pueden producir

alrededor de un watt de energía. Por lo general, el enlace ascendente funciona a 19.2 kbps,

pero el enlace descendente funciona con frecuencia a 512 kbps o más. La televisión de

difusión directa por satélite utiliza esta tecnología para transmisión unidireccional.

Las VSATs tienen un futuro prometedor en las zonas rurales. Aún no tienen una amplia

aceptación, pero más de la mitad de la población del mundo vive a una hora de distancia del

teléfono más cercano. El realizar el tendido de redes telefónicas a miles de pequeñas

poblaciones excede el presupuesto de la mayoría de los gobiernos del tercer mundo, pero lo

que sí es factible es la instalación de antenas VSAT de un metro, alimentadas por celdas

solares. Las VSATs proporcionarán la tecnología que enlazará al mundo.

Los satélites de comunicaciones tienen diversas propiedades radicalmente distintas a las

de los enlaces terrestres de punto a punto. Para empezar, aun cuando las señales hacia y

desde un satélite viajan a la velocidad de la luz (cerca de 300,000 km/seg), el largo viaje de

ida y vuelta provoca un retardo sustancial para los satélites GEO. Dependiendo de la

distancia entre el usuario y la estación terrestre, así como de la elevación del satélite en el

horizonte, el tiempo de tránsito de un extremo al otro es de entre 250 y 300 mseg. Un valor

común es de 270 mseg.

Con propósitos de comparación, los enlaces terrestres de microondas tienen un retardo

de propagación de casi 3 µseg/km, en tanto que los enlaces de cable coaxial o la fibra

óptica tienen un retardo de aproximadamente 5 μseg/km. El último es más lento que el

primero debido a que las señales electromagnéticas viajan más rápido en el aire que en

materiales sólidos.

5.2.6 Satélites de Órbita Terrestre Media

Los satélites MEO (Órbita Terrestre Media) se encuentran a altitudes mucho más bajas,

entre los dos cinturones de Van Allen. Vistos desde la Tierra, estos satélites se desplazan

lentamente y tardan alrededor de seis horas para dar la vuelta a la Tierra. Por consiguiente,

es necesario rastrearlos conforme se desplazan. Puesto que son menores que los GEO,

tienen una huella más pequeña y se requieren transmisores menos potentes para

alcanzarlos. Hoy en día no se utilizan para telecomunicaciones. Los 24 satélites GPS

(Sistema de Posicionamiento Global) que orbitan a cerca de 18,000 km son ejemplos de

satélites MEO.

5.2.7 Satélites de Órbita Terrestre Baja

En una altitud más baja encontramos a los satélites LEO (Órbita Terrestre Baja).

Debido a la rapidez de su movimiento, se requieren grandes cantidades de ellos para

conformar un sistema completo. Por otro lado, como los satélites se encuentran tan

cercanos a la Tierra, las estaciones terrestres no necesitan mucha potencia, y el retardo del

viaje de ida y vuelta es de tan sólo algunos milisegundos. En esta sección examinaremos

tres ejemplos, dos sobre las comunicaciones de voz y uno sobre el servicio de Internet.

Iridium: Consiste en un sistema que utiliza 66 satélites. El propósito es que tan pronto

como un satélite se pierda de vista, otro lo reemplace.

El negocio de Iridium es ofrecer servicio de telecomunicaciones en todo el mundo a

través de dispositivos de bolsillo que se comunican directamente con los satélites Iridium.

Proporciona servicio de voz, datos, búsqueda de personas, fax y navegación en cualquier

parte, sea en tierra, mar y aire. Entre sus clientes están las industrias marítimas, de la

aviación y exploración petrolera, así como personas que viajan a partes del mundo que

carecen de infraestructura de telecomunicaciones (por ejemplo, desiertos, montañas, selvas

y algunos países del tercer mundo).

Los satélites Iridium están a una altitud de 750 km, en órbitas polares circulares. Están

dispuestos en forma de collar de norte a sur, con un satélite a cada 32 grados de latitud. La

Tierra completa se cubre con seis collares, como se aprecia en la figura 5.2-5 (a).

Figura 5.2-5. (a) Los satélites Iridium forman seis collares alrededor de la Tierra. (b)

1628 celdas en movimiento cubren la Tierra.

Cada satélite tiene un máximo de 48 celdas (haces reducidos), con un total de 1628

celdas sobre la superficie de la Tierra, como se muestra en la figura 5.2-5 (b). Cada satélite

tiene una capacidad de 3840 canales, o 253,440 en total. Algunos de estos canales se

utilizan para localización de personas y navegación, en tanto que otros, para datos y voz.

Una propiedad interesante de Iridium es que la comunicación entre clientes distantes

tiene lugar en el espacio, con un satélite retransmitiendo datos al siguiente, como se

muestra en la figura 5.2-6 (a). Aquí vemos que quien llama está en el Polo Norte y hace

contacto con un satélite que se encuentra directamente arriba de él. La llamada se

retransmite a través de otros satélites y por último es entregada al destinatario en el Polo

Sur.

Figura 5.2-6. (a) Retransmisión en el espacio. (b) Retransmisión en tierra.

Globalstar: Es un diseño alterno para Iridium. Se basa en 48 satélites LEO pero utiliza

un esquema de conmutación diferente al de Iridium. En tanto que Iridium retransmite las

llamadas de satélite en satélite, lo cual requiere un equipo de conmutación refinado en los

satélites, Globalstar utiliza un diseño de tubo doblado tradicional. La llamada que se

originó en el Polo Norte en la figura 5.2-6 (b) es devuelta a la Tierra y recogida por la

enorme estación terrestre. A continuación la llamada se enruta, a través de una red terrestre,

a la estación terrestre más cercana al destinatario y se entrega mediante una conexión de

tubo doblado como se muestra. La ventaja de este esquema es que mucha de la complejidad

queda en tierra, donde es más sencillo manejarla. Asimismo, el uso de antenas grandes en

las estaciones terrestres que pueden producir una señal potente y recibir una señal débil,

permite la utilización de teléfonos de baja potencia. Después de todo, el teléfono produce

tan sólo unos cuantos miliwatts de potencia, por lo cual la señal que llega a las estaciones

terrestres es sumamente débil, aun cuando el satélite la haya amplificado.

Teledesic: Iridium está destinada a usuarios de teléfonos que se encuentran en lugares

extremosos. Teledesic, estaba destinada a usuarios de Internet de todo el mundo deseosos

de ancho de banda. Fue concebida en 1990 por Craig McCaw, pionero de la telefonía

móvil, y por Bill Gates, fundador de Microsoft, quienes estaban inconformes con el lento

ritmo al cual las compañías telefónicas de todo el mundo proporcionaban ancho de banda

alto a los usuarios de computadoras.

La meta del sistema Teledesic era ofrecer a los millones de usuarios concurrentes de

Internet un enlace ascendente de hasta 100 Mbps y un enlace descendente de hasta 720

Mbps mediante antenas tipo VSAT pequeñas y fijas, que ignoran por completo el sistema

telefónico. El plan era que el sistema sea de conmutación de paquetes en el espacio, en el

cual cada satélite tiene la capacidad de enrutar paquetes a los satélites vecinos. Cuando un

usuario necesita ancho de banda para enviar paquetes, tal ancho de banda se solicita y

asigna de manera dinámica en alrededor de 50 mseg. Debido a varios factores el trabajo de

construcción de los satélites suspendió oficialmente en octubre del 2002.

6. REFERENCIAS

Coimbra G., E. (7 de Mayo de 2010). Coimbra Web. Recuperado el 17 de Julio de

2014, de http://www.coimbraweb.com/documentos/radio/8.1_caracteristicas.pdf

Jaramillo, L. (4 de Febrero de 2013). Repositorio Digital UTN. Recuperado el 17 de

Julio de 2014, de http://repositorio.utn.edu.ec/handle/123456789/1102

STALLINGS, W. (2004). COMUNICACIONES Y REDES DE COMPUTADORES.

Madrid: PEARSON EDUCACIÓN, S. A.

TANENBAUM, A. S. (2003). Redes de computadoras. México: PEARSON

EDUCACIÓN.