Comunicaciones por Satélite: Tipos de Acceso, Modulación DVB-S y Sistemas de Geolocalización

Tipos de Acceso Múltiple en Comunicaciones por Satélite

Acceso por Asignación Fija

Asignan permanentemente una fracción de los recursos del sistema a cada usuario. Son más adecuados para situaciones de tráfico intenso y continuo.

• FDMA (Frequency Division Multiple Access): División por frecuencia. Cada portadora usa una banda fija. Requiere bandas de guarda y control de intermodulación.
• TDMA (Time Division Multiple Access): División por tiempo. Las estaciones transmiten en ráfagas. Requiere sincronización y tiempos de guarda.
• CDMA (Code Division Multiple Access): División por código. Usa códigos ortogonales. Resiste interferencias y ofrece privacidad.

Acceso Aleatorio

Los esquemas de acceso aleatorio (Aloha) son más adecuados cuando hay un gran número de fuentes de tráfico corto a ráfagas. La emisión se produce cuando el usuario lo necesita, sin coordinación previa. Es adecuado para tráfico esporádico y de baja intensidad, pero puede provocar pérdida de datos por colisiones en situaciones de alta congestión.

• ALOHA: Las estaciones transmiten cuando quieren, pero pueden ocurrir colisiones.
• Variantes: ALOHA ranurado y de reserva.

Acceso Controlado (Asignación Bajo Demanda)

Son más adecuados cuando la información generada por un usuario tiende a ser de larga duración (llamadas de voz o transferencias de archivos largos). Parte de los recursos se asignan para canales de petición (con acceso aleatorio) y de asignación. El resto se utiliza para la realización de las comunicaciones.

• PAMA (Pre-Assigned Multiple Access): Preasignación para tráfico constante. Desaprovecha recursos y es menos eficiente.
• DAMA (Demand Assigned Multiple Access): Bajo demanda para tráfico variable. Muy costoso.
• Acceso aleatorio: Adecuado para bajo volumen de datos. Menos eficaz si el tráfico es alto; se pueden perder datos si hay congestión.

Modulación en DVB-S

DVB-S utiliza la modulación QPSK, que permite transmitir 2 bits por símbolo mediante cambios de fase, optimizando el uso del ancho de banda. Esta modulación es eficiente y resistente a interferencias, lo que la hace ideal para la transmisión de señales digitales a través de satélites.

Etapas de DVB-S y sus Funciones

DVB-S (Digital Video Broadcasting - Satellite) es el componente encargado de recibir, procesar y convertir las señales digitales transmitidas a través de satélite en señales que pueden ser utilizadas por los dispositivos de usuario, como televisores y decodificadores.

Las etapas del adaptador DVB-S son:

• Aleatorización: Cambia la polaridad de un byte de sincronización en los datos para eliminar patrones repetitivos.
• Protección de errores por bloques: Añade bits de redundancia a los datos utilizando el código Reed-Solomon, lo que permite detectar y corregir errores de ráfagas.
• Entrelazado: Reorganiza los datos en bloques para dispersar los errores en ráfagas.
• Protección convolucional: Añade redundancia contra errores.
• Baseband shaping: Filtra la señal para ajustar el ancho de banda y reducir las interferencias con canales adyacentes.
• Modulación QPSK: Convierte los datos digitales en una señal modulada eficiente para transmisión satelital.

GPS y Galileo: Sistemas de Posicionamiento Global

GPS (Global Positioning System)

(6 planos, 4 satélites/plano)

• Señal L1 (1575.42 MHz): Transmite la señal de navegación y el código SPS (Standard Positioning Service).
• Señal L2 (1227.6 MHz): Empleada para compensar las variaciones producidas por cambios en las condiciones de propagación en la ionosfera en receptores PPS (Precise Positioning Service).

Galileo

(3 planos, 8 satélites/plano + 2 satélites/plano esparcidos)

• Señales E1 (Servicio Abierto): Servicio gratuito para navegación general, ofreciendo datos estándar de posicionamiento.
• Señales E6 (Servicio Comercial): Información encriptada para servicios comerciales avanzados, con precisión centimétrica, ideal para aplicaciones de alta precisión como topografía.
• Señales E5 (Alta Precisión y Modelos Diferenciales): Soporte para modelos diferenciales, con precisión centimétrica en aplicaciones científicas e ingeniería avanzada.

Diferencia entre Ancho de Banda y Tasa de Bits en GPS

GPS: B = 40 MHz, Rb = 50 bps. ¿A qué se debe la diferencia?

Se debe al uso de señales de espectro ensanchado mediante la técnica CDMA:

1. Espacio de señal amplio: El GPS usa códigos pseudoaleatorios (PRN) para expandir la señal en un amplio espectro, mejorando la robustez contra interferencias y ruido.
2. Baja tasa de datos: Aunque los datos se transmiten a 50 bps, el ensanchamiento permite que múltiples señales coexistan en el mismo ancho de banda y facilita la recuperación de la señal bajo condiciones adversas. Esto optimiza la precisión y resistencia del sistema, crucial para aplicaciones de posicionamiento global.

Mejora de la Eficiencia Espectral

La eficiencia espectral indica qué tan bien se aprovecha una banda que se usa para la transmisión de datos. Para incrementar este valor, podemos:

1. Usar asignación dinámica de canales.
2. Mejorar la codificación y la modulación para aumentar la tasa de bits por Hz.
3. Usar técnicas como filtrado avanzado o cancelación de interferencias para permitir el uso eficiente de frecuencias adyacentes sin degradar el rendimiento.

Reutilización de Frecuencias

Consiste en usar la misma frecuencia (mismo ancho de banda) en diferentes áreas geográficas para aumentar la capacidad del sistema sin interferencia.

Definiciones Clave en Comunicaciones Satelitales

• Inclinación: Ángulo que forma el plano orbital con un plano de referencia (normalmente, el plano ecuatorial).
• Excentricidad: Desviación con respecto a una órbita circular. Tipos:
  • Órbita circular (e=0)
  • Órbita elíptica (0
  • Órbita parabólica (e=1)
  • Órbita hiperbólica (e>1)

Ascensión recta del nodo ascendente: Ángulo desde una dirección de referencia a la dirección del nodo ascendente, medido en un plano de referencia. Nodo ascendente: Punto donde el satélite cruza el plano de referencia (ecuador), moviéndose desde el hemisferio sur al norte. Nodo descendente: Punto donde el satélite cruza el plano de referencia, moviéndose de norte a sur. Argumento del perigeo: Ángulo entre el nodo ascendente y el perigeo, medido en el plano orbital del satélite. Perigeo: Punto de la órbita más cercano a la Tierra (donde el satélite tiene mayor velocidad). Acceso Múltiple: Variante de multiplexación que describe el procedimiento para compartir los recursos de comunicaciones entre un gran número de usuarios. Multiplexación: Consiste en combinar dos o más señales por un solo medio de transmisión. Anomalía verdadera: Ángulo que forman las líneas de foco hacia el satélite y las líneas hacia el lugar más cercano de la trayectoria al cuerpo central (periapsis). Semieje mayor (SMA): La mitad del diámetro más largo de una elipse (equivale a la distancia media entre un objeto que orbita alrededor de otro). Cinturones de Van Allen: Regiones con partículas de alta energía, atrapadas por el campo magnético terrestre. IoT (Internet of Things): Red de dispositivos interconectados que intercambian datos a través de Internet. El papel de las comunicaciones por satélite en IoT es proporcionar conectividad en áreas remotas o de difícil acceso, donde las redes terrestres no llegan, asegurando que los dispositivos IoT puedan transmitir y recibir datos globalmente.

Sistemas de Geolocalización: Modulación y Acceso al Medio

Utilizan modulación BPSK (Binary Phase Shift Keying), que proporciona una modulación robusta, adecuada para señales débiles y ruidosas, y acceso al medio CDMA (Code Division Multiple Access), que permite que múltiples satélites utilicen la misma frecuencia sin interferencia, gracias a los códigos únicos, optimizando la separación de señales y mejorando la precisión en la localización.

Fuentes de Error en la Determinación de la Posición mediante Geolocalización

Tres fuentes principales de error:

1. Error de reloj: Los receptores GPS tienen relojes menos precisos que los satélites, lo que provoca un desfase en la medición del tiempo de propagación de la señal.
2. Multitrayecto: Ocurre cuando la señal del satélite se refleja en objetos cercanos (como edificios o montañas) antes de llegar al receptor, lo que provoca un error en la medición de la distancia al satélite.
3. Errores atmosféricos: Retrasos causados por la ionosfera y la troposfera, que afectan la propagación de las señales.

Los satélites GPS envían su posición y el tiempo exacto de transmisión de la señal, lo que permite al receptor calcular su distancia a cada satélite y, con la información de varios satélites, determinar su ubicación. GPS utiliza señales de al menos cuatro satélites para determinar la posición (en 3D: latitud, longitud, altitud) y corregir el error del reloj del receptor.

Ventajas y Desventajas de las Órbitas GEO

• Ventajas:
  • Estabilidad de la señal
  • Cobertura amplia
  • Tecnología probada
  • Doppler mínimo
  • Buena visibilidad
• Desventajas:
  • No cubre zonas polares
  • Retardo considerable
  • Lanzamiento costoso
  • Eclipses (interrumpen señales)
  • Basura espacial