INTRODUCCIÓN A LOS MEDIOS DE TRANSMISIÓN
CLASE Nº 4
INTRODUCCIÓN A LOS MEDIOS DE TRANSMISIÓN
Los medios de transmisión pueden clasificarse por la forma en la que conducen la señal. Así encontramos los medios guiados, que guían o conducen la energía en su interior, tales como, los cables de cobre, los cables coaxiales, la fibra óptica, etc. Por otra parte, los medios también pueden ser radiados; y entonces se clasifican según la aplicación o la frecuencia que utilicen como onda portadora. Entre los medios radiados se puede mencionar: los enlaces de microondas, satelitales, en HF, en VHF, en UHF, etc.
A continuación estudiaremos los principales medios de transmisión utilizados más frecuentemente en comunicaciones.
MEDIOS GUIADOS

FIBRA OPTICA

La transmisión de información a través de la luz no es reciente. Cuando la tecnología no estaba tan desarrollada y no existían sistemas de comunicaciones radiados o no querían ser detectados por el "enermigo", la comunicación entre barcos era con señales luminosas. Sin embargo, la propagación de la luz en el aire no tiene un gran alcance y por tanto, tiene muy poca aplicabilidad en comunicaciones.

No fue sino hasta la década de los 70, que la tecnología permitió desarrollar vidrios de elevada pureza en los cuales la luz se propaga con poca atenuación, permitiendo alcanzar considerables distancias. En la figura inferior pueden observar la estructura de una fibra óptica. El centro o núcleo está conformado por la fibra de vidrio recubierto por el "cladding" (es otra cubierta de otra composición de vidrio). Finalmente, esta estructura está protegida por una cubierta exterior, que le da rigidez para reducir el riesgo de quebrar el núcleo, el cual tiene unos 50 micrometros de diámetro, y es muy frágil.

El fenómeno por el cual la luz se propaga en la fibra óptica está asociado a la refracción de la luz. Cuando la luz incide sobre un medio con índice de refracción distinto al que originalmente la propaga, sufre una cierta desviación. El sentido de la desviación depende de la relación entre los índices de refracción de los dos medios.

La relación mostrada en la figura anterior nos indica que un haz que viaja en un medio con índice de refracción n1, incide con un ángulo (Theta)i en un medio con un índice de refracción n2. El haz será desviado en función de la proporción de los índices de refracción y del ángulo de incidencia del haz originalmente.

Las funciones matemáticas "seno" están acotadas entre los valores -1 y +1. Si n1 es mayor que n2, se presentarán valores del ángulo (Theta)i para los cuales la parte derecha de la ecuación será superior a 1, con lo cual la relación no es factible. Lo que sucede es que entonces el haz se desvía con un ángulo máximo (Theta)r de 90 grados, y de esa manera la luz fluye en forma directa por la fibra.

El proceso de transmisión en un enlace óptico requiere que las señales que usualmente se manejan en forma eléctrica sean adaptadas al medio óptico. Se requiere entonces un elemento que convierta la señal eléctrica en lumínica, este dispositivo no es más que un diodo LED (Light Emitting Diode) o un dispositivo Láser. La señal de salida de estos elementos se acopla a la fibra óptica para realizar la transmisión. Al llegar al extremo receptor, hay que transformar nuevamente la señal a eléctrica, para lo cual se utilizan diodos PIN o diodos de avalancha (APD). En general, los equipos trasductores ópticos integran estos elementos sin que el usuario deba preocuparse por los mismos. Lo que aqui se ilustra únicamente pretende mostrar el concepto del proceso de transmisión.

Las características de la fibra óptica limitan la propagación de la luz a bandas de frecuencia  (o longitudes de onda) específicas. Se tienen tres bandas donde la propagación sufre menor atenuación que en otras longitudes de onda, y se aprovechan por tanto para propagarse a mayores distancias. Estas ventanas son: 820 nm, 1330 nm y 1550 nm (y sus alrededores cercanos), como se ilustra en la figura.

Tipos de Fibra:

· Multimodo. El diámetro del núcleo es 50microm. El índice de refracción del núcleo a la cubierta puede variar en forma gradual o en escalón (step-index). La gradual es de mayor ancho de banda y costo. 

· Monomodo. El diámetro del núcleo es ~10 microm, y presenta mayor ancho de banda que las multimodo. Generalmente, es del tipo step-index. Se emplea en la 2a. y 3a. ventanas, pero requiere diodos láser para la transmisión. 

La fibra óptica viene en rollos de 1 Km de longitud aproximadamente. Para establecer enlaces de mayor longitud, se requiere empalmar una fibra con la siguiente. Estos empalmes pueden ser de dos tipos: 

· mecánicos, con lo cual se introduce una pérdida de 0,5 dB aproximadamente, 

· de fusión, donde ambas fibras son fusionadas por un arco eléctrico, proceso más caro pero que introduce pérdidas del orden de los 0,2 dB por empalme. 

En los extremos, la fibra debe acoplarse a los trasductores optico/eléctrico a través de unos conectores. Estos conectores pueden introducir pérdidas de hasta 1 dB por conector.

Principales Características

· Es inmune a las interferencias electromagnéticas y de radiofrecuencia 

· Provee seguridad de la información (no se puede interceptar la señal óptica) 

· Presenta gran ancho de banda (varios GHz) a bajo costo 

· Bajas pérdidas -> Alcanza grandes distancias sin necesidad de repetidores (hasta 100 Km sin utilizar repetidores) 

CABLE COAXIAL

Es una línea de transmisión conformada por dos conductores concéntricos, separados por un dieléctrico (para evitar cortocircuitos). 

Presenta gran ancho de banda (del orden de las centenas de MHz) y por tanto admite altas velocidades de transmisión. Su estructura le provee de gran inmunidad al ruido e interferencias electromagnéticas.

La función de atenuación del coaxial depende de la relación entre los diámetros del conductor exterior e interior. Será mínima cuando sea 3,6 y presenta una impedancia característica (Zo) de 77 ohms(con dieléctrico aire). Al introducir otros dieléctricos, como por ejemplos discos para soportar los conductores, la impedancia se reduce; en este ejemplo es de 75 ohms.

Para realizar una instalación de cableado (de cualquier tipo) se requiere evaluar y negociar el trayecto del cable, su instalación y mantenimiento. En función de la atenuación que presentan y del ancho de banda que se utilice, se requieren repetidores mucho más frecuentemente que con fibra óptica. Por ejemplo, para un ancho de banda de 60 MHz los repetidores deben establecerse cada 1,5Km, mientras que si solo se utilizan 4 MHz de ancho de banda, los repetidores pueden instalarse cada 9Km, aunque éstos son de bajo costo. En todos los repetidores se puede insertar y extraer información.

PAR TRENZADO

Es el medio de transmisión más antiguo y ampliamente utilizado, principalmente en telefonía, y que está cobrando auge su instalación para transmisión de datos en redes de área local.

Está conformado por dos alambres de cobre aislados, de aproximadamente 1 mm de grosor entrelazados en forma helicoidal, como se muestra en la figura siguiente:

Existen dos tipos de pares trenzados:

· UTP: La figura muestra un cable del tipo UTP (Unshielded Twisted-Pair),es decir, par trenzado no protegido por cubierta. Este es el cable típico para instalación en la red telefónica. 

· STP: (Shielded Twisted-Pair) Reduce las interferencias de radiofrecuencia (RF). 

Las ventajas que introduce trenzar los cables es que reduce la interferencia eléctrica entre los pares cercanos. (Dos alambres paralelos constituyen una antena, mientras que trenzados no).

Adicionalmente, los pares trenzados presentan alcance de varios kilómetros sin requerir repetidores (claro, también presentan en general menor ancho de banda que un cable coaxial), pero para aplicaciones de redes de área local, las distancias son muy cortas, y para aplicaciones de telefonía, el ancho de banda requerido es muy pequeño. Su ancho de banda depende del calibre y la distancia.

Pueden utilizarse tanto en transmisiones analógicas o digitales, y presentan un costo muy reducido en comparación con otros medios.

 

MEDIOS RADIADOS

Las principales formas de propagación que pueden utilizarse para transmitir señales en forma radiada son:

· Onda de Superficie. Ocurre para frecuencias inferiores a los 30 MHz. Los enlaces de onda de superficie presentan largos alcances y gran estabilidad de la señal. Las características eléctricas de suelo tienen influencia en el alcance y condiciones de propagación. En este modo de propagación se encuentran las transmisiones en HF y los sistemas de radioaficionados. 

Onda Ionosférica. Se presenta para frecuencias comprendidas entre 3 MHz y 30 MHz. La señal sufre reflexiones en las capas ionizadas de la atmósfera, con lo que se obtienen grandes alcances pero con inestabilidades.

· Onda de Dispersión Troposférica. Se basa en reflexiones ocasionadas por variaciones turbulentas del índice de refracción. Tiene alcance superior al horizonte, pero presenta altas pérdidas y fuertes desvanecimientos. 

· Onda Espacial. Esta forma de propagación se observa para frecuencias superiores a los 30 MHz. La propagación se realiza a través de las capas bajas de la atmósfera (troposfera). Se distinguen tres submodos: 

  1. Onda directa. Enlaza transmisor y receptor.
  2. Onda reflejada. Conecta el transmisor y el receptor a través de una reflexión en el terreno.
  3. Ondas multitrayecto. Son aquellas que alcanzan el receptor luego de sufrir reflexiones en los estratos superiores inmediatos de la troposfera.
En general, la onda espacial es estable, aunque está limitada al alcance de la visión óptica entre el transmisor y el receptor. Puede estar perturbada por las componentes reflejada y multitrayecto, produciéndose disminución de la señal recibida, apareciendo entonces los "desvanecimientos".
A continuación se puede identificar las principales bandas de frecuencia en uso, el modo de propagación que se presenta en cada una de ellas, su alcance y disponibilidad, y sus aplicaciones típicas.
 
Banda (Hz)
Modo de Propagación
Alcance Típico
Disponibilidad
Uso Típico
LF
30 KHz a 300 KHz
Onda de Superficie
>1000 Km sobre agua
Todas horas
Frecuencias patrón
MF
300 KHz a 3000 KHz
Onda de Superficie 
Onda Ionosférica
~ 100 Km 
> 500 Km con desvanecimientos
Todas horas 
Noche
Radiodifusión
HF
3 MHz a 30 MHz
Onda de Superficie 
Onda Ionosférica 

(3 a 8 MHz) 
(3 a 12 MHz) 
(6 a 25 MHz)

< 100 Km 

< 300 Km 
> 500 Km 
> 500 Km

Todas horas 

Día 
Noche 
Día

Serv. Fijo 
Serv. Móvil 
Radiodifusión
VHF
30 MHz a 300 MHz
Onda Espacial 
Dispersión Troposférica
Línea de Vista 
2000 Km
Todas horas 
 
Serv. Fijo
Serv. Móvil 
Radiodif. radio+TV 
Radionavegación
UHF
300 MHz a 3000 MHz
Onda Espacial 
Dispersión Troposférica 

(f>500 MHz)

Línea de Vista 

600 Km

 
Serv. Fijo
Serv. Móvil 
Radiodif. TV 
Radiolocalización
SHF
3 GHz a 30 GHz
Onda Espacial
Línea de Vista
 
Serv. Fijo
Telecomunic. y radiodif. 
por satélite 
Radionavegación
 
El curso está enfocado a las formas de propagación más utilizadas para comunicaciones, con lo cual se debe exigir alta disponibilidad de la señal. En la tabla siguiente se comparan algunos parámetros entre tecnologías.
 
Tecnología
Alcance
Características
HF (Onda Corta)
más de 320 Km
· Muy Económico (1 a 2 W) 
· Velocidad Máxima: 2400 bps  
· Disponibilidad: 80-95% 
Dispersión Troposférica
UHF/SHF
Hasta 650 Km
· No requiere linea de vista 
· Potencia del transmisor: 1 a 10 KW  
· Diámetro Antena: 4,5 a 18 m  

· Pérdidas ~ 260 dB  

· Disponibilidad: 50 a 99% 

Microondas
(0,3 < f < 50 GHz)
de 3 a 60 Km
· Pérdidas ~ 140 dB 
· Disponibilidad: 99,99% 
Satélite
(4 < f < 30 GHz)
En órbita geoestacionaria, 
cobertura total de la superficie 
terrestre con tres satélites
· Pérdidas ~ 200 dB 
· Retardo = 0,5 s  
· Muy confiable 
 
La congestión y saturación en la asignación de las frecuencias para propagación por Onda de Superficie, lleva entonces a enfocar la propagación por Onda Espacial como la única alternativa global en telecomunicaciones radiadas. Para el curso se abordarán los temas de enlaces de microondas y enlaces satelitales.
Conceptos Básicos
Existen algunos conceptos primarios que requieren ser comprendidos antes de profundizar en la propagación radiada. 

El primero de ellos es la relación entre la frecuencia de la señal y la longitud de onda de la misma. La longitud de onda se relaciona con la distancia (en metros) en el espacio que la onda requiere para completar un ciclo. La frecuencia de la señal por su longitud de onda se corresponde con su velocidad de propagación. Dado que la señal se propaga en un medio parecido al vacio, y que en definitiva es energía electromagnética, se aproxima esa relación a la velocidad de la luz en el vacio.

En la figura anterior se pone de manifiesto cómo al incrementarse la frecuencia portadora de una señal, su longitud de onda decrece. Cuando un carro viaja por una carretera y choca con una mosca, lo más probable es que no se note. Sin embargo, si el choque es con otro vehículo, un camión o una vaca, efectivamente estaremos hablando de un choque. Lo mismo le sucede a la señal que se propaga. Habrá que considerar la dimensión del obstáculo con relación a la longitud de onda de la señal para establecer el efecto que introduce.

Otro concepto de interés es el de "Antena Isotrópica". Una antena es el dispositivo encargado de transformar la energía eléctrica generada en el transmisor a energía radiada u ondas electromagnéticas que se propagan en el espacio. En general, es un dispositivo pasivo (es decir, no produce aumento de la energía; mas bien se producen pérdidas por calentamiento y otros factores intrínsecos al proceso). Se define una antena isotrópica como aquella antena capaz de radiar energía en todas la direcciones por igual. Una antena isotrópica se encarga de emitir energía por igual en todo el espacio, y de recibir las ondas electromagnéticas que le llegan en todas las direcciones y transformarla en energía eléctrica, capaz de ser procesada por un equipo electrónico receptor. 

Esta antena no es físicamente realizable. Existen un conjunto de limitaciones que no permiten construir una antena con estas características, y en general, todas las antenas radían energía en alguna dirección con preferencia de otra dirección. Por ejemplo, una antena omnidireccional concentra la energía en un plano; este tipo de antena se utiliza en radiodifusión dado que no sabemos dónde puede estar ubicado el receptor. Una antena parabólica, concentra la energía en un haz lineal; las antenas parabólicas se utilizan en comunicaciones punto a punto.

Sin embargo, se habla de que las antenas presentan ganancia. Esta ganancia no es una amplificación de la señal recibida, sino que es una comparación entre lo que recibe la antena real o física, y lo que recibiría una antena isotrópica. Por ejemplo, una antena parabólica puede tener una ganancia de 33 dBi (la "i" significa con relación a la antena isotrópica).

Otro concepto resaltante en comunicaciones radiadas es la PIRE (Potencia Isotrópica Radiada Aparente). Es una medida de referencia de los sistemas de comunicación por radio, y engloba la potencia del transmisor (Ptx), la ganancia de la antena (Ga) y las pérdidas de los alimentadores (La) que llevan la señal desde el transmisor (generalmente de instalación interna en una caseta) hasta la antena (instalada en una torre o un mástil): 

PIRE (dBW) = Ptx (dBW) + Ga (dBi) - La (dB)

La PIRE permite realizar una comparación del nivel de señal radiada entre sistemas, al incluir todos los factores que afectan la señal hasta llegar a la antena.

 

ENLACES DE MICROONDAS

En general, los conceptos estudiados bajo este tópico se aplican para todas las transmisiones en onda espacial, es decir, para frecuencias superiores a los 30 MHz. La banda de microondas no está definida como tal; recordemos que al presentar las bandas de frecuencias aparecía VHF, UHF, etc. pero no se presentó una banda de microondas; por lo tanto, establecer los límites de dicha banda no es fácil. Sin embargo, se habla de enlaces de microondas desde los 900 MHz y hasta los 50 ó 60 GHz.

Las bandas de frecuencia a las que nos estamos refiriendo, tienen como característica particular que requieren línea de vista entre el transmisor y el receptor para efectivamente establecer el enlace. ¿Qué significa "línea de vista"? Que desde la antena del transmisor debe poder "verse" la antena del receptor.

Así como se han presentado las ventajas de la digitalización en las redes telefónicas, de igual manera aplican esos mismos factores a la digitalización de los enlaces de radio. Es por ello, que aunque todavía se consiguen enlaces analógicos, en su mayoría los enlaces de microondas son digitales. La ventaja más resaltante de los enlaces de radio es su versatilidad para salvar obstáculos de terreno en forma rápida y económica, comparativamente hablando frente a otras tecnologías.

El espectro de frecuencias es un recurso limitado. Si alguien está utilizando una frecuencia dentro de un área, esa frecuencia no puede ser reutilizada por otro sistema ya que causaría interferencia en el primero (excepto en la técnica CDMA, que no veremos en este curso). Debido a esto, alguien tiene que regular y coordinar el uso del espectro radioeléctrico. A nivel mundial, el organismo que dicta las pautas y recomendaciones de uso de este recurso es parte de la UIT: el UIT-R (Unión Internacional de Telecomunicaciones - Sector Radiocomunicaciones); y en Venezuela, estas funciones las lleva CONATEL (Comisión Nacional de Telecomunicaciones).

Existen bandas de frecuencias reservadas para usos de aviación civil, aplicaciones militares, servicios celulares, etc. Para los servicios de servicio fijo (como se conocen las aplicaciones de enlaces punto a punto) las bandas de frecuencias también están definidas. Actualmente, las bandas por debajo de los 2 GHz están siendo liberadas y reservadas para los futuros servicios de comunicaciones móviles, por lo que los enlaces deben establecerse en frecuencias superiores. En las zonas urbanas, además de que en general se establecen enlaces entre puntos cercanos, la congestión obliga a migrar a frecuencias elevadas.

Debido a que los radioenlaces tienen distintas aplicaciones (conexión de un abonado remoto, servir de backbone en geografías muy irregulares donde la instalación de fibra óptica o cable subterráneo no es viable, etc.), las capacidades de estos sistemas también es muy variada, partiendo de la jerarquía E1 hasta sistemas de 140 y 150 Mbit/s.

Elementos de diseño

· Topografía del terreno 

· Efectos de la atmósfera 

· Características de los equipos 

· Objetivos de disponibilidad 

Perfil Topográfico. El perfil del terreno permite visualizar si efectivamente existe línea de vista entre el transmisor y el receptor. Si la antenas de ambos puntos pueden unirse por una línea recta, entonces el enlace no tiene obstrucciones y puede contiuarse con la evaluación. Este perfil también permite establecer la altura requerida por las antenas para garantizar esa línea de vista.

Esta línea de vista está afectada por el efecto de refracción de la trosposfera. Así como cuando se introduce un lápiz en una cubeta de agua y pareciera que el lápiz se parte, ese efecto de desviar la luz al variar el índice de refracción de los medios se presenta también en la tropósfera. El índice de refracción depende de la temperatura y de la presión, principalmente. Al variar la altura estos factores también se ven afectados, con lo cual la propagación del haz radioeléctrico no será lineal, sino que ocurrirá un fenómeno similar al lápiz en la cubeta. La atmésfera se caracteriza entonces por un índice de refracción, representado por la letra k.

La representación de la altitud en el perfil del terreno estará afectada por el "índice de refracción". Esta desviación del haz puede ocasionar que éste se desvie hacia la tierra o se aleje de ella, con lo cual variará la altura de las antenas, y la factibilidad del enlace.

Los objetivos de calidad se establecen en función de las tasas de error (BER - Bit Error Rate) en el tren digital de bits que se van a admitir, y por cuánto tiempo. Estos objetivos de calidad limitan entonces:

· Una BER (Tasa de Error) = 10-3 no debe excederse por más del 0,054% del mes; es decir, la tasa de error no debe ser superior a 10-3 por más de 1400 segundos. Con tasas de error superiores a este valor, una transmisión de voz comienza a notar ruidos molestos en la conversación, y puede degradarse hasta el punto de presentar dificultades para interpretarse. 

· Una BER 10-6 no debe excederse por más del 0,4% del mes; es decir, la tasa de error no debe ser superior a 10-6 por más de 173 minutos. 

El tiempo estadístico en el cual aparecerán estas tasas de error dependerá de la cantidad de potencia recibida frente a la sensibilidad del receptor. La potencia recibida depende de la PIRE de la estación transmisora, de las pérdidas del enlace y de la ganancia de la antena receptora. La sensibilidad del receptor es un parámetro que indica el fabricante, y representa el menor nivel de señal que el equipo es capaz de interpretar. Cuanto más se aproxime la potencia recibida a la sensibilidad del receptor, el enlace tendrá más probabilidad de presentar errores.

Las principales pérdidas que sufre la señal durante la propagación son: 

· Pérdidas por espacio libre. Las pérdidas por espacio libre se presentan por el simple hecho de propagarse la señal. Corresponden a la energía que se radía, pero que no alcanza la antena receptora. 

· Pérdidas por lluvia. Las pérdidas por lluvia comienzan a aparecer para frecuencias superiores a 8 GHz, donde el tamaño de la partícula de agua comienza a ser comparable con la longitud de onda de la frecuencia portadora de la señal que se transmite. 

· Pérdidas por reflexión, despolarización de la onda, difracción en obstáculos, por desenfoque de las antenas, etc. 

Se realiza la evaluación de las características de los equipos requeridos (potencia de transmisión, ganancia de las antenas, sensibilidad del receptor, etc.) para garantizar que el enlace puede establecerse, es decir, que la potencia recibida es en cierta proporción superior a la sensibilidad del receptor; esa diferencia se conoce como "Margen de Desvanecimiento". 

Sin embargo, existen factores aleatorios que se presentan de forma incontrolada, que no fueron considerados, que incrementan las pérdidas y pueden ocasionar que la potencia recibida sea inferior a la sensibilidad del receptor, con lo cual la señal se desvanecerá. estos factores son principalmente: variaciones en el índice de refracción, reflexiones, difracciones, que el efecto de la lluvia sea mayor al considerado, etc. Se observa principalmente en enlaces largos, a frecuencias elevadas y/o a velocidades de transmisión altas (34 Mbit/s y superiores).

En la tabla siguiente se muestra la indisponibilidad de un sistema (no todos se comportan igual, éste es un ejemplo) en función del margen de desvanecimiento del mismo.

Cuando un enlace no permite satisfacer los requisitos de calidad y de disponibilidad requeridos (es decir, el margen de desvanecimiento es muy pobre o la potencia recibida ni siquiera es superior a la sensibilidad del receptor) debido a que la distancia que separa las estaciones es muy elevada, aún habiendo utilizado los mejores equipos del mercado, es necesario introducir uno o más repetidores activos que permitan obtener márgenes de desvanecimiento satisfactorios. Un repetidor activo no es más que una estación con sus elementos pasivos (antenas, cables, etc.) y los equipos que tratarán la señal (transmisor, receptor, módems-si se requieren-, etc).

Por otro lado, si en un enlace no se obtiene línea de vista por alguna montaña intermedia, por ejemplo, es necesario introducir un repetidor que permita salvar este obstáculo y establecer el enlace en dos tramos o saltos. Este repetidor puede ser activo o pasivo, dependiendo del margen de desvanecimiento en cada caso. Un repetidor pasivo no es más que un conjunto de antenas parabólicas contrapuestas cuya función es desviar el haz para permitir la comunicación entre las estaciones finales.

 

ENLACES SATELITALES

Existen diversas circunstancias que hacen de los enlaces por satélite una mejor alternativa: distancias grandes, obstáculos geográficos o limitaciones energéticas, cobertura distribuida, etc. La principal ventaja de un enlace por satélite es la cobertura independiente de la topografía: Con tres satélites en órbita geoestacionaria distribuidos apropiadamente se puede dar cobertura a toda la tierra (excepto a las regiones polares).

Los satélites pueden orbitar la tierra a diferentes distancias. La órbita más utilizada en comunicaciones es la órbita geoestacionaria; el satélite se ubica sobre el plano ecuatorial a una altura de 36.000 Km sobre la superficie terrestre. La velocidad de giro del satélite alrededor de la tierra es la misma que la velocidad de rotación terrestre, con lo cual visto desde un punto sobre la tierra, el satélite está fijo. Esto tiene la ventaja que las antenas terrenas no requieren de movimiento para hacer seguimiento y apuntar en forma precisa al satélite.

prestación Otros tipos de órbita son la órbita media, a unos 11000 Km de altura, y la órbita baja (LEO - Low Earth Orbit), a unos 300 Km aproximadamente. Además estas órbitas son en general inclinadas, es decir, no ocupan el plano ecuatorial sino un plano que puede formar un cierto ángulo con el ecuador. Estas órbitas se pueden utilizar para exploración de la tierra, meteorología, ... y últimamente, está muy cerca la prestación de servicios de comunicaciones móviles personales a través de satélites LEO, como el proyecto Iridium, etc.

Un satélite requiere de una estación terrena de seguimiento y control que lo supervise, controle y corrija su movimiento frente a derivas. Esta estación forma parte, junto con el satélite, de lo que se conoce como el segmento espacial. Además se tienen las estaciones que utilizan el satélite como repetidor de sus comunicaciones, y éstas constituyen el segmento terrestre.

El satélite no es más que un repetidor activo ubicado en el espacio. Los amplificadores del satélite se conocen como "transponders" o transpondedor, y existen de dos tipos:

· Transpondedor transparente: La señal llega al satélite, es filtrada para separarla de otras señales e interferencias, se cambia su frecuencia portadora, se amplifica y se retransmite hacia la tierra. 

· Transpondedor Regenerativo: La señal digital que llega al satélite sufre el mismo proceso que un repetidor regenerativo. La señal es procesada y regenerada antes de trasladarla a otra frecuencia y retransmitirse hacia tierra. 

En el párrafo anterior se mencionó que toda señal que llega al satélite en una frecuencia f1 es trasladada a otra frecuencia f2 para implementar el enlace descendente (downlink). Esto se hace para evitar interferencias, y en general para reducir pérdidas ya que la energía a bordo del satélite está muy limitada y no se puede incrementar la potencia de la señal descendente a niveles elevados. Aunque ha quedado escondido en el apartado anterior al no mostrar la expresión de pérdidas de espacio libre, en este punto hay que indicar que estas pérdidas son proporcionales a la distancia del enlace y a la frecuencia de la señal portadora. Esta razón obliga a que la frecuencia del enlace descendente sea inferior a la frecuencia del enlace ascendente (uplink).

El satélite es un repetidor con una limitada capacidad de energía. A bordo se dispone de combustible para las maniobras de posicionamiento del satélite; los circuitos electrónicos se alimentan con la energía proveniente de las celdas solares, y en periodos de sombra, de bancos de baterías recargables. El 80% del peso del satélite está representado por el peso del combustible, y la vida útil de un satélite está limitada principalmente por el tiempo que le dure el combustible (típicamente alrededor de 10 años); es por ello vital intentar reducir al mínimo las maniobras de posicionamiento, y que durante el lanzamiento del satélite no haya errores.

Los satélites de comunicaciones geoestacionarios ocupan principalmente dos bandas de frecuencia: banda C y banda Ku (se lee "banda ka u"). Los primeros satélites operaron en banda C, cuyas frecuencias del uplink son del orden de los 6 GHz y las del downlink están alrededor de los 4 GHz. La banda Ku se define entre 11 y 14 GHz. La aparición de esta banda de frecuencias superiores fue un tanto cuestionada por los posibles efectos negativos de la lluvia en el enlace. 

 

Los satélites pueden estar equipados con antenas de haces diversos. Si el satélite está pensado para dar cobertura global, entonces la antena presentará un haz global con cobertura terrestre sobre toda la zona visible desde el satélite. Si el satélite es un proyecto regional, por ejemplo el Simón Bolívar, entonces sus antenas concentrarán la energía para iluminar principalmente los países que participan en dicho proyecto. Pero también pueden existir satélites con diversos intereses sobre su cobertura, como por ejemplo el satélite español Hispasat, con cobertura en España y en Hispanoamérica.

La tecnología satelital permite operar bajo la filosofía de conmutación de circuitos o de conmutación de paquetes, encontrando que ya se está utilizando, por ejemplo, frame relay para establecer redes de comunicaciones por satélite.

Los satélites geoestacionarios se ven afectados por la posición relativa entre la tierra y el sol. Durante la época cercana a los equinoccios de primavera (21 de marzo) y otoño (21 de septiembre), existen algunos minutos en los cuales el satélite apunta hacia la tierra, pero en línea con el sol, con lo cual el ruido que se introduce en el sistema es demasiado elevado, y la señal se pierde por unos minutos. Esto es un fenómeno incontrolable, y que debe tenerse en cuenta para la de servicios satelitales de alta disponibilidad.

Redes VSAT

Los enlaces vía satélite permiten establecer conexión entre dos o más puntos situados en la tierra, utilizando un satélite en el espacio como sistema repetidor. En realización de redes privadas, existe una marcada tendencia a usar terminales con antenas parabólicas de tamaño reducido, conocidos como terminales de pequeña apertura (VSAT). La tecnología VSAT permite transmitir voz, datos, fax, y videoconferencia. Generalmente se utiliza en la realización de redes privadas para conectar un gran número de terminales en áreas geográficamente dispersas y de difícil acceso vía terrestre. 

Las estaciones VSAT se comunican a través de una estación maestra denominada HUB. El HUB constituye un sistema central de control y es el que gerencia las comunicaciones entre todas las estaciones y su interconexión con otras redes. 

Técnicas de Acceso

Una red satelital puede ser configurada con diferentes modalidades de acceso. Los esquemas de asignación fija mencionados a continuación (FDMA, TDMA, CDMA), asignan permanentemente una fracción de los recursos del sistema a cada usuario y se adaptan mejor para un tráfico intenso y continuo:

· CDMA (Code Division Multiple Access): A cada usuario se le asigna un código pseudo aleatorio que modula la portadora. Todos los usuarios comparten simultáneamente el ancho de banda disponible. 

· TDMA (Time Division Multiple Access): Los recursos del satélite se comparten entre todos los usuarios a intervalos de tiempo diferentes. En la técnica TDMA la topología de la red típicamente es en estrella consistiendo de un gran HUB central y varias estaciones VSAT remotas. Está tecnología está orientada a la transmisión de datos y trabaja en conjunto con técnicas de conmutación de paquetes. Los datos del usuario son empaquetados y los paquetes se transmiten entre las estaciones VSAT y el HUB que ejecuta las funciones de encaminamiento y de conmutación. Todas las transmisiones entre estaciones se efectúan encaminando los paquetes a través del HUB, con doble salto al satélite. 

· FDMA (Frequency Division Multiple Access): El ancho de banda contratado se divide en múltiples canales de frecuencias diferentes. En la modalidad FDMA, con esquema MCPC (Multiple Channel per Carrier) se puede asignar una parte del ancho de banda de un transponder a una única estación; con esquema SCPC (Single Channel per Carrier) se puede asignar una frecuencia fija (portadora) para cada canal de comunicación y para cada estación. 

Hay varias técnicas para controlar la asignación de canales en la red: 

· PAMA (Pre-assigned Multiple Access). A cada estación se le asigna permanentemente un canal fijo exclusivo. Esto permite establecer circuitos permanentes para proveer enlaces punto a punto entre dos usuarios. Cada enlace para una comunicación dúplex requiere de dos portadoras SCPC. Esta técnica no hace un uso eficiente de los recursos del satélite, ya que una vez asignado el canal queda dedicado exclusivamente para un único enlace, desaprovechándose en los intervalos en los que no se envía información. 

· DAMA (Demand Assigned Multiple Access). A cada estación se le asigna dinámicamente una frecuencia portadora sólo cuando desea establecer una comunicación. Esta portadora permanece libre para ser asignada a otra estación el resto del tiempo. Y el usuario paga sólo por el tiempo de establecimiento de la comunicación. En la técnica SCPC/DAMA el usuario que desea hacer una llamada envía el requerimiento al terminal de control (HUB), quien asigna los recursos de satélite requeridos para el servicio y establece los enlaces según las necesidades de las estaciones. Parte de los recursos se asignan para canales de petición (con acceso aleatorio) y de asignació
Las técnicas de acceso controlado DAMA son más adecuadas cuando la información del usuario tiende a ser de larga duración (transferencia de archivos o voz). Esta técnica de acceso es diéz veces más eficiente que un sistema PAMA, con lo que se reduce el número de canales requeridos y el costo por uso del satélite, al mismo tiempo que se flexibiliza la asignación del ancho de banda según los requerimientos de tráfico instantáneos. 

La tecnología SCPC/DAMA es más apropiada para comunicaciones de voz y datos de extremo a extremo en topologías de malla completa, donde es necesaria la conmutación de circuitos y es esencial que el enlace sea a través de un único salto al satélite.

Existen otras combinaciones de las técnicas de acceso y las características de asignación permanente o bajo demanda. Las redes que combinan TDMA/DAMA tienen la capacidad de asignación por demanda, pero a esto se le añade la capacidad de múltiple acceso en tiempo para reducir la necesidad de múltiples modems en cada sitio. Esto permite por ejemplo, que varias llamadas telefónicas sean colocadas simultáneamente en diferentes sitios a través de una sola estación. Redes de este tipo soportan aplicaciones con conectividad mallada y aplicaciones que requieren múltiples servicios interactivos. 

Los esquemas de acceso aleatorio (ALOHA puro y ranurado) se adaptan mejor cuando hay un gran número de fuentes de tráfico corto a ráfagas. Esto se verá con más detalle en el acceso de redes de datos Ethernet.

Procesamiento de Errores

En los sistemas digitales se utilizan técnicas de detección y corrección de errores: 

· ARQ. Se detectan los errores y se solicita la retransmisión de la información. 

· FEC. Los errores se detectan y se corrigen en el receptor. 

El equipo de detección de errores ARQ es mucho más simple que FEC y requiere menos redundancia en los códigos de transmisión. Sin embargo, debe usarse FEC cuando: 

· La transmisión es simplex 

· Si la transmisión es half-duplex, y los retardos con ARQ son excesivos 

· El número esperado de errores implique un número excesivo de retransmisiones 

Generalmente, en transmisiones satelitales (por los retrasos involucrados en la transmisión de ida y vuelta) se utilizan técnicas FEC en vez de técnicas ARQ para corrección de errores.

COMPARACION DE MEDIOS

Medio de Transmisión
Ancho de Banda máximo 
o capacidad de transmisión
Radio
140 Mbps
Satélite
36-70MHz
Fibra Óptica
600-1000 MHz
Coaxial
300-500 MHz
Par Trenzado
10 MHz
 
 
EJERCICIO
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