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ELECTROPEDIA

COMUNICACIONES VÍA SATÉLITE

COMUNICACIONES

La convergencia de la informática y las telecomunicaciones está causando que todos aquellos elementos que uno asocia con un estándar de vida alto - desde la educación y el cuidado de la salud hasta el desarrollo económico y los servicios públicos - se conviertan cada vez más dependientes de un flujo de información que aumenta continuamente. En áreas altamente urbanizadas, esta exigencia de información está siendo saciada a través de las conexiones de anchos de banda altos y de alta calidad de fibras ópticas. Cada vez más, las instituciones y los individuos están utilizando conexiones de banda ancha para tener acceso al Internet, operar computadoras en red, agregar y concentrar enlaces de líneas telefónicas, servicios de ocio y entretenimiento, y teletrabajar. Pero, al salir de las ciudades, estos servicios de telecomunicaciones similares a fibras ópticas resultan de un costo prohibitivo o sencillamente no se encuentran por ningún precio.

Las nuevas redes de satélites de banda ancha, como Teledesic, Celestri, … extenderán de forma transparente la infraestructura terrestre existente basada en fibra óptica para proveer servicios avanzados de datos a cualquier parte del mundo. Habrá una gama amplia de clientes, desde los trabajadores de información que no están dispuestos a ser encerrados en ciudades cada vez más congestionadas, a países que están haciendo conexiones terrestres con líneas telefónicas agregadas desde estaciones celulares remotas, a empresas multinacionales conectando sus sucursales a través del mundo a sus existentes redes empresariales globales. El objetivo básico de estas nuevas redes es proveer conectividad transparente a todas las instituciones e individuos, cuando y donde quieran, obteniendo el acceso a servicios de telecomunicaciones semejantes a aquellos provistos a través de fibra óptica y que solamente están corrientemente disponibles en áreas urbanas altamente desarrolladas.

Las comunicaciones globales por satélite han sido relegadas desde sus comienzos al ámbito institucional (sobre todo en el área de defensa) y a la navegación marítima y aérea. Pero los grandes avances tecnológicos han verificado que las constelaciones múltiples de satélites de comunicaciones en órbita baja son un ente viable económica y técnicamente hablando. Actualmente, proyectos como Iridium, GlobalStar, Teledesic o Celestri aglutinan un movimiento empresarial sin precedentes.

"Los sistemas vía satélite son capaces de proveer servicios de comunicaciones virtualmente a cualquier parte del mundo sin discriminación en precios o geografía.

Ninguna otra tecnología – incluyendo fibra óptica - puede conseguir este objetivo, y ninguno puede lograr la promesa de universalidad geográfica"

La primera idea que sugirió el establecimiento de comunicaciones mediante un satélite puede situarse en 1945, cuando el escritor Arthur C. Clarke publicó un artículo que abordaba la posibilidad de enviar y recibir señales de un lugar a otro del planeta situando una estación en el espacio a nivel del ecuador terrestre y a una distancia de aproximadamente 36.000 Km, de forma que esa estación apareciera como si estuviera fija respecto de la Tierra. A esta órbita se le llama órbita o cinturón de Clark o, mas científicamente, órbita terrestre Geoestacionaria (GEO).

En efecto, ésta es la idea en que se basan los sistemas tradicionales de comunicaciones vía satélite: Las señales se transmiten entre las diferentes estaciones terrestres mediante un satélite situado en una determinada órbita de la Tierra. Estas señales viajan sobre una onda portadora en el margen de microondas, que permiten transportar grandes cantidades de información al mismo tiempo que pueden focalizarse en haces extremadamente estrechos, lo que las hace especialmente apropiadas para las comunicaciones vía satélite.

Esta focalización se realiza en las estaciones terrestres a través de una antena, de forma que la portadora de microondas con la información asociada se focaliza, mediante una antena, en un haz muy estrecho que se dirige al satélite. Cuando el satélite recibe el haz, las señales que recibe son extremadamente débiles debido al camino recorrido por que debe amplificarlas para compensar las pérdidas de potencia sufridas durante la transmisión por el espacio; tras amplificar el haz lo retransmite a la Tierra, en concreto, a las estaciones receptoras que deben recibir la señal. En este sentido, el satélite actúa como una estación repetidora en el espacio.

Cuando el satélite está diseñado únicamente para esta función de repetidor, es decir, para acoger la señal y retransmitirla otra vez a la tierra, se dice que el satélite es transparente. Los avances en la tecnología han permitido agregar a esta función básica inherente funciones de valor añadido en términos de control y comando de los circuitos de microondas del satélite, así como de procesamiento on-board, entre otros.

En el contexto de la transmisión se utilizan dos conceptos fundamentales: el enlace ascendente o uplink y el enlace descendente o downlink. El modo en que se utilizan estos enlaces es el siguiente. En la estación terrestre, la señal se superpone a la portadora a una determinada frecuencia y se envía al satélite (enlace ascendente); en el satélite, una vez que se ha amplificado la señal, se superpone a una portadora a una frecuencia diferente de la anterior y se envía a la Tierra (enlace descendente).

Los satélites se lanzan al espacio y se sitúan en una determinada órbita de la tierra que puede ser circular, con velocidad constante y utilizadas para comunicaciones o elípticas, con velocidad variable (más rapidez en el perigeo y más lentitud en el apogeo) y utilizadas para actividades de reconocimiento debido a que el satélite se acerca mucho a la Tierra durante el perigeo.

Una vez situado en la órbita circular, el satélite se mantiene en ella gracias al equilibrio de fuerzas que se produce entre la fuerza gravitacional de atracción entre la Tierra y el satélite, y la fuerza centrífuga que actúa sobre el satélite debido a su movimiento circular con la Tierra como centro de dicho movimiento.

Existen dos tipos generales de sistemas de satélites: los satélites que se encuentran en la órbita terrestre geoestacionaria (GEO) y los satélites no geoestacionarios (NGEO), principalmente de órbita terrestre media (MEO) y baja (LEO). Existiendo también sistemas elípticos y de gran altitud.

Cuando la órbita está en el plano ecuatorial de la Tierra, a una distancia de aproximadamente 36000 Km (equivalente a 5,6 del radio de la tierra), y en consecuencia, el período orbital es exactamente igual al período de rotación de la Tierra (o sea, 23 h, 56 min y 4 s), conocido como día sideral, entonces se dice que esa órbita es geoestacionaria y el satélite que discurre por esa órbita es un satélite geoestacionario. De esta forma, se consigue que los satélites aparezcan como fijos para un observador situado en la Tierra y, en consecuencia, se pueden recibir las señales del satélite mediante antenas receptoras fijas en la Tierra sin necesidad de hacer un seguimiento y, por tanto, sin necesidad de conmutar. Mediante estos satélites geoestacionarios se puede cubrir la Tierra con facilidad. De hecho, desde un punto de vista teórico, con tres satélites geoestacionarios se puede conseguir una cobertura global, exceptuando las zonas polares.

A esta altura, las comunicaciones a través de un GEO perpetúan una latencia mínima de transmisión de ida y retorno - un retardo de extremo a extremo - de por lo menos medio segundo (una onda electromagnética tarda en recorrer 36000 Km aprox. 0,12s = 360000/300000; en una comunicación unidireccional el retardo es de aprox. 0,25s y en una comunicación bidireccional el retardo es de aprox. 0,5 s). Esto significa que los GEOs nunca podrán proveer demoras similares a las fibras ópticas. Esta latencia de GEO es la fuente de la demora fastidiosa en muchas de las llamadas telefónicas intercontinentales, impidiendo que se pueda entender la conversación y deformando el matiz personal de la voz. Lo que puede ser una incomodidad en una transmisión telefónica, sin embargo, puede ser insostenible para aplicaciones en tiempo real, tales como videoconferencias, como también para muchos protocolos estándares de datos - aun para los protocolos subyacentes del Internet.

Las organizaciones ITU y FCC (en los Estados Unidos) administran las posiciones orbitales y son las que autorizan los sistemas de satélites.

Los satélites GEO fueron el punto de arranque de las comunicaciones vía satélite, y prácticamente todos los satélites utilizados hoy en ida para comunicaciones por redes corporativas son GEO. Las aplicaciones básicas de estos satélites son transmisiones punto-a-multipunto y punto-a-punto. Actualmente, las crecientes necesidades en términos de ancho de banda, la necesidad de minimizar las tasas de errores y, sobre todo, la necesidad de disminuir la lantencia, todo ello para que las redes por satélite puedan competir e integrarse con las redes de fibra óptica, han originado un creciente protagonismo de los satélites MEO y LEO.

Los satélites de órbita terrestre media se encuentran a una altura de entre 10075 y 20150 kilómetros. A diferencia de los GEO, su posición relativa respecto a la superficie no es fija. Al estar a una altitud menor, se necesita un número mayor de satélites para obtener una cobertura mundial, pero la latencia se reduce substancialmente. En la actualidad no existen muchos satélites MEO, y se utilizan para posicionamiento.

Los satélites LEO están situados en órbitas bajas, de 1.500 Km por termino medio, aunque puede estar entre 200 y 2000 Km; los periodos orbitales se encuentran entre los 90 y los 120 minutos. Estas bajas órbitas se utilizaron en los inicios de la tecnología de comunicaciones por satélite como una de las etapas a cubrir para llegar al objetivo final en aquellos momentos, que era el satélite geoestacionario, cuando aún no existían medios suficientes para conseguir la potencia de lanzamiento necesaria para colocar el satélite en los 36.000 Km de altura correspondiente a la órbita geoestacionaria.

En aquellos momentos iniciales, las órbitas bajas se contemplaban como el futuro de los sistemas de navegación, de predicción y vigilancia meteorológica y de observación de la Tierra, pero nunca para comunicaciones, ya que el satélite, al tener un período orbital tan corto, es accesible a una estación terrestre solamente durante un período de tiempo muy corto.

Sin embargo, el concepto de constelación de satélites, de muy reciente aparición, ha hecho que los satélites LEO no solamente encuentren su parcela de mercado en las telecomunicaciones, sino que se constituyan además en el futuro más brillante para ese sector, debido a las posibilidades que ofrecen en ancho de banda. Gracias a ello, podrán competir e integrarse con las redes de fibra óptica y unas excelentes prestaciones en lo que se refiere a la minimización de los retardos normalmente asociados a las comunicaciones por satélite.

Esa minimización de retardos o de la latencia permite la generación de aplicaciones muy sensibles al tiempo real, como la transmisión de voz, la videoconferencia y aplicaciones avanzadas como el trabajo corporativo.

Los satélites LEO están divididos en diferentes categorías, basadas en la frecuencia: los ‘LEOs pequeños’ (little LEOs - 800 MHz), ‘LEOs grandes’ (Big LEOs - 2 GHz) y los LEOs de banda ancha (20-30 GHz). Existe una relación inversa entre la frecuencia y la longitud de onda, por lo que al aumentar la frecuencia la longitud de onda disminuye y la terminal receptora (una parabólica o un teléfono) son de menor tamaño.

Inicialmente el foco de atención de los LEO fue para voz y datos de banda estrecha. Los ‘pequeños LEOs’ fueron diseñados para mensajería y servicios de búsqueda y localización de vehículos. Los ‘gran LEOs’ proporcionarán voz a las áreas que no son cubiertas por las redes celulares o terrestres. También ofrecerán datos a baja velocidad, de 2,4 Kbps a 9,6 Kbps. Y serán los LEOs de banda ancha los que proporcionarán datos hasta 155 Mbps.

Las plataformas de gran altitud y resistencia son básicamente aeroplanos alimentados por energía solar o más ligeros que el aire, que se sostienen sobre un punto de la superficie terrestre a unos 21 kilómetros de altura. No se habla mucho de ellos y en la actualidad constituyen fundamentalmente un proyecto de investigación. Un ejemplo de HALE que utiliza globos estacionarios es Skystation.

El espectro electromagnétido es un problema con el que todos nos enfrentamos. Para empezar, los nombres más comunes para ciertas bandas frecuenciales datan de antes de la Segunda Guerra Mundial. Además el proceso regulatorio de las bandas frecuenciales para uso en Telecomunicaciones no está exento de inconsistencias y vaguedades.

Aunque el IEEE se esfuerza por imponer una convención de nombres estándares fáciles de usar, lo cierto es que la mayoría de las personas del sector se refieren a los segmentos del espectro de radio por una clasificación de bandas basadas en letras que son a menudo imprecisas. En la Segunda Guerra Mundial, los desarrolladores de radares de los Estados Unidos y Gran Bretaña nombraron partes del espectro con letras, tales como la banda L, banda C, Banda Ku o Banda Ka. Las letras fueron escogidas de forma aleatoria, para que el enemigo no pudiera saber sobre lo que estaban hablando. Durante los siguientes años hubieron discrepancias sobre los nombres y sus inconsistencias.

Nombre de la Banda Frecuencial	Rango Frecuencial
HF-band	1.8-30 MHz
VHF-band	50-146 MHz
P-band	0.230-1.000 GHz
UHF-band	0.430-1.300 GHz
L-band	1.530-2.700 GHz
FCC's digital radio	2.310-2.360 GHz
S-band	2.700-3.500 GHz
C-band Canal descendente	3.700-4.200 GHz
Canal Ascendente	5.925-6.425 GHz
X-band Canal descendente	7.250-7.745 GHz
Canal Ascendente	7.900-8.395 GHz
Ku-band (Europa) Canal descendente: FSS	10.700-11.700 GHz
DBS	11.700-12.500 GHz
Telecom	12.500-12.750 GHz
Canal Ascendente: FSS and Telecom	14.000-14.800 GHz
DBS:	17.300-18.100 GHz
Ku-band (America) Canal descendente: FSS:	11.700-12.200 GHz
DBS	12.200-12.700 GHz
Canal Ascendente: FSS:	14.000-14.500 GHz
DBS	17.300-17.800 GHz
Ka-band	18-31 GHz

Las bandas de frecuencia utlizadas comúnmente en las comunicaciones por satélite comerciales son la banda C y la banda Ku.

La banda C se refiere al margen 5,9 – 6,4 GHz para el canal ascendente y 3,7 – 4,2 para el descendente. La banda C proporciona transmisiones de más baja potencia que la Ku pero de más cobertura geográfica, con un plato de la antena receptora más grande . del orden de 3 metros de diámetro -, aunque también con un mayor margen de error de apuntamiento.

La banda Ku utiliza el margen 14-14,5 GHz para al canal ascendente y 11,7 – 12,2 GHz para el descendente. Esta banda proporciona más potencia que la C y, en consecuencia, el plato de la antena receptora puede ser más pequeño, del orden de 1,22 metros de diámetro, pero la cobertura es menor.

La elección entre una u otra banda viene dada en función del análisis del propósito final de la transmisión y en el tipo de mercado al que se desea llegar. En este sentido, la banda C está más orientada a los usuarios de los servicios residenciales, para llegar a antenas domésticas. Esta banda es vulnerable a las interferencias terrestres, especialmente en áreas urbanas.

Cuando las zonas donde se va a recibir las señales están controladas por una determinada entidad, como es el caso de una red corporativa, se utiliza normalmente la banda Ku; debido a su elevada potencia puede utliizar antes más pequeñas, más baratas y más fáciles de instalar, lo que hace que esta banda sea especialmente utilizada en el sector empresarial. Además, a la banda Ku, no le afectan las interferencias terrestres, pero sí las turbaciones metereológicas (lluvia, por ej.), que producen distorsiones y ruido en la transmisión. Esto se puede obviar mediante la utilización de antenas más grandes o aumentando la potencia, soluciones no válidas.

Existe actualmente una banda de frecuencias emergente en el sector civil que proviene del ámbito militar. Se trata de la banda Ka, que opera entre 18 y 31 GHz, con la que se espera paliar la creciente saturación de las bandas C y Ku. Cabe citar finalmente en este contexto de las bandas de frecuencia la banda EHF (Extremely High Frequency), en el margen 20-100 GHz dedicada al sector de defensa aunque son susceptibles del uso civil.

4.1. ACTS entra en acción. El gran interés por los sistemas de banda ancha.

Durante años se han utilizado sistemas de terminales de muy pequeña apertura (VSAT) para que las empresas alquilaran un cierto ancho de banda durante un cierto tiempo.

Estos sistemas utilizan las bandas C y Ku, y están pensados para comunicaciones precedibles, pero no para la interactividad o lo que se ha llamado comunicaciones "a cualquier hora, en cualquier lugar". La necesidad de mayores anchos de banda dirige los esfuerzos de los estudios hacia bandas de frecuencia mayores.

El gran crecimiento por el interés de la banda Ka proviene de un estudio realizado por la NASA lanzado en Septiembre de 1993 y denominado ACTS (Advanced Comunitacion Technology Satellite), determinando las necesidades para que los satélites puedieran trabajar en esta banda frecuencial. ACTS probó que era posible crear un sistema totalmente digital basado en la banda Ka que podría soportar la atenuación por la lluvia (la longitud de onda es tan pequeña en la banda Ka que la lluvia interfiere con las ondas, produciéndose desvanecimiento o perdida de potencia). ACTS es un sistema basado en TDMA que utiliza técnicas de los satélites comerciales, incluyendo "spot-beam (multibeam)", "on-board storage and processing" y "All-digital transmission".

Spot-beam. Esta tecnología permite a un sistema de antenas subdividir la gran zona de cobertura de su haz (huella o footprint) en muchos sub-haces o spot beams. Pudiendo así enfocar sus sub-haces en áreas concretas. Esta subdivisión permite un algo grado de reuso de frecuencias. Mejor que expandir todas las frecuencias sobre el haz completo, se expanden subconjuntos o subrangos de frecuencias sobre haces menores o spot beams. Y lo más importante, la reutilización de estos subrangos se realiza en haces no adyacentes.

On-board Storage and processing. La mayoría de los satélites son transparentes, una señal llega al satélite e inmediatamente vuelve a la Tierra. La técnica de Procesado y almacenamiento en el satélite, permite la captura de información ("catching") hasta que un haz apunte al destino, permitiendo también la conmutación intersatélites.

All-digital transmisión. Para evitar el desvanecimiento por la lluvia, las señales necesitan ser digitalizadas e incorporar códigos detectores de error. ACTS utiliza el mismo sistema TDMA utilizado en los sistemas terrestres celulares.

Todas estas técnicas permiten comunicaciones de gran ancho de banda, por ejemplo, el presidente de ACTS aseguró que se podía conseguir hasta tres canales de 622 Mbps o incluso más.

El sistema ACTS estaba basado inicialmente en un sistema Geoestacionario (GEO), lo que sirvió también para determinar o corroborar los problemas de esa órbita.

Todos los proveedores de servicios vía satélite enfocan su interés hacia los ‘mercados calientes’ como el acceso a Internet. Los proveedores dicen "Internet requiere un gran ancho de banda rápidamente. Los Satélites pueden ofrecer este ancho de banda para cubrir las grandes áreas."

Pero existen como mínimo 3 problemas asociados a las comunicaciones vía satélite en sistemas tradicionales GEO:

El retardo de las transmisiones de los satélites puede inutilizar las transmisiones TCP/IP. Este protocolo requiere un rápido ‘acknowledge’ que informa que el paquete ha sido recibido correctamente. Los servicios GEO, sin embargo, añaden un retardo de cómo mínimo 0,5 segundos (el tiempo que tarda la señal en viajar hasta el satélite y volver a la Tierra). Y este retardo puede ser mayor debido a las latencias introducidas por los transmisores/receptores. TCP, protocolo de transporte de los terminales conectados a Internet, emplea una ventana de transmisión de paquetes transmitidos, que no actualiza hasta que no ha recibido la confirmación de todos los paquetes que hay en ella. TCP/IP fue diseñada para funcionar aceptablemente bien en redes terrestres, con un retardo bajo. Los problemas surgen cuando se emplea en redes con elevado retardo, como los enlaces geoestacionarios.

La ventana de transmisión suele ser de tamaño no muy elevado, ya que el mecanismo de retransmisión de TCP es del tipo Go-Back-N, pero en un enlace con un gran retardo, sólo el número de bits de la ventana pueden estar en tránsito y en espera de reconocimiento en cada momento. El tamaño de la ventana de transmisión en la mayoría de las implementaciones del protocolo TCP/IP actúa como un cuello de botella en las comunicaciones de alta latencia.

El tamaño de la ventana representa la cantidad de información que se almacena en caso de que ocurra un error en la transmisión. Por ejemplo, el buffer por defecto en las implementaciones de TCP/IP por parte de Windows 95 y Windows NT es de 64 Kilobytes. Esto significa que en cualquier momento dado, sólo 64 Kilobytes pueden estarse transmitiendo y esperando los acknowledgment. No importa cuantos bits tenga teóricamente un enlace GEO, si tarda por lo menos medio segundo para transmitir acknowledgment de 64 Kbps. Por lo tanto, la máxima velocidad real es de 64 Kilobytes por medio segundo, o 128 Kbps. Por tanto, no importa cuántos bits pueda transmitir el canal teóricamente, porque se tarda como mínimo medio segundo en recibir el reconocimiento de los bits de la ventana, sin el cual no se puede comenzar a transmitir los bits siguientes, con lo que tenemos impuesto un throughput bastante limitado, y además en caso de error, las prestaciones bajan mucho más que en un enlace de bajo retardo. Otros inconvenientes adicionales se observan cuando se estudia el comportamiento de una aplicación de red soportada por TCP/IP, concretamente la WWW.

Para cada parte de una página Web (cada dibujo, el texto, los sonidos, etc..), se establece una transacción TCP distinta, lo cual requiere al menos dos tiempos de retardo para establecer la conexión. Además se puede dar el caso de que el tiempo de espera de recepción del acknowledge sea inferior a 0,5s por lo que comienza a retransmitir el paquete ya que asume que se ha perdido. Existen varias recomendaciones para resolver este problema, como por ejemplo, RFC 1323, que permite ventanas mayores, pero causa problemas de asignación de memoria y requiere la modificación del protocolo en todos los usuarios que intervengan en la comunicación, lo cual crea incompatibilidades con los sistemas de uso cotidiano.

TCP incluye dos mecanismos esenciales de control de congestión llamados "slow start" y "congestion avoidance". Estos significan que todas las conexiones de Internet (como ver una página web o enviar un e-mail) comienzan con un bajo ancho de banda y entonces van aumentando hasta la mayor velocidad si no se encuentra congestión en el enlace.

El problema es que cada ciclo de incremento de velocidad, requiere una comunicación completa (petición) entre el receptor y el emisor, y para conseguir el máximo ancho de banda de una conexión pueden necesitarse docenas de comunicaciones.

Cuando una de estas peticiones tarda 500 ms o más, como es el caso de GEO, la comunicación a menudo finaliza la conexión antes de haya podido llegar a su máximo ancho de banda. Por ejemplo, para conseguir una conexión T-1 se necesitan hasta 200 peticiones, lo que se consigue cuando ya se ha acabado la transmisión, por lo que funciona a una velocidad sub-óptima.

Una de las tendencias de las redes es el desarrollo de la capacidad de alterar dinámicamente sus características según el tráfico y las aplicaciones demandadas, por ejemplo, el uso de las pausas entre frases en conversaciones telefónicas en Internet, para servicios ABR (Avaliable Bit Rate ó Tasa de Bits Residual), como e-mail. Pero esta multiplexación estadística (permitiendo a varios usuarios compartir la red) sólo es posible si ambos terminales transmisores pueden negociar dinámicamente las demandas de ancho de banda en la red. Es precisamente éste proceso de negociación el que se ve afectado por los retardos elevados.

Las soluciones actuales para soportar comunicaciones TCP sobre GEO se basan en engañar al sistema. Esencialmente, el router en la compañía engaña al servidor Web al que está conectado, haciéndole pensar que los paquetes que ha enviado han sido ‘acknowledged’ por el usuario remoto. Mientras, el router simplemente envía las páginas Web a través del enlace vía satélite al lugar remoto. Este esquema fundamentalmente altera la semántica de las comunicaciones TCP, introduciendo la posibilidad de corrupción en los datos. Además, existen incompatibilidades con la seguridad en los protocolos IP que no permitirán ser engañados. Desafortunadamente este engaño tampoco es útil con aplicaciones interactivas en tiempo real.

La solución a todos estos problemas es disminuir el retardo en la comunicación, de esa forma conseguiremos compatibilidad con las redes de fibra óptica, que se caracterizan por: canales de banda ancha, bajos ratios de errores y bajo retardo.

Los nuevos sistemas de banda ancha vía satélite serán redes de conmutación de paquetes en los que voz, video y datos serán transmitidos digitalmente. Para conseguir gran ancho de banda se usará la banda Ka (20-30 GHz). Para disminuir drásticamente el retardo se usarán órbitas terrestres bajas LEO que, combinándolo con un mínimo ángulo de elevación – para evitar los problemas de interferencias y atenuación asociados con la banda Ka- y una constelación suficiente de satélites para cubrir la Tierra, proporcionarán un retardo máximo de 50 ms. Con todos estos elementos las redes de banda ancha estarán a nuestro alcance vía satélite, dentro de estos proyectos cabe desacatar Teledesic y Celestri que, entre otros, se describirán en siguientes apartados.

Los componentes fundamentales son los panales solares, que absorben la energía del sol, y el payload o carga útil.

El transpondedor. El núcleo del satélite es el transpondedor o unidad de recepción-transmisión que consiste en un conjunto de circuitos encargados de recibir las señales que provienen de la Tierra, las amplifican para compensar las perdidas sufridas durante la transmisión, cambian la frecuencia mediante un circuito downconverter y las vuelven a amplificar para proporcionar la potencia necesaria para llegar a la estación terrena dentro de unos límites de atenuación tolerables.

La amplificación de la señal se realiza mediante TWTA (Travelling Wave Tube Amplifiers), unos amplificadores basados en tubos de vacío que proporcionan las grandes potencias necesarias en este conexto y que todavía no pueden conseguirse con sus homólogos SSPA (Solid State Power Amplifier). Los TWTA presentan, además, mejores características en términos de linealidad y fiabilidad.

Los avances en MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuits), circuitos integrados de microondas con importantes prestaciones en términos de miniaturización y eficacia del funcionamiento, juegan un papel crucial en el desarrollo tecnológico del transpondedor. Gracias a ellos, se consiguen importantes disminuciones en peso y tamaño, lo cual constituye un elemento fundamental para la generación de constelaciones de satélites.

La unidad de potencia. La unidad de potencia proporciona la energía necesaria para el funcionamiento del satélite. Esta energía se obtiene de los paneles solares, que convierten la energía solar en energía eléctrica. Los paneles solares están formados por agrupaciones de células basadas, en la actualidad, en Arseniuro de Galio (AsGa), un semiconductor avanzado de alta eficiencia, tanto desde el punto de vista óptico como de microondas/milimétricas.

La unidad de antenas. Como en cualquier enlace radio, donde en cada extremo existe una antena, en la plataforma existe una unidad de antenas para recibir la señal enviada desde la Tierra por el enlace ascendente y retransmitirla otra vez desde el satélite hacia la Tierra (por el enlace descendente). Básicamente, la misión de una antena genérica consiste en transferir la corriente variable de un circuito eléctrico en ondas electromagnéticas, concretamente en ondas en el margen de frecuencias de las microondas si la antena es de microondas.

Este es el caso de la antena cuando actúa como emisor; cuando se produce el proceso inverso (capta las ondas electromagnéticas del espacio) se dice que actúa como receptor. La unidad de antenas forma haces que cubren las áreas de la Tierra a las que se pretende dar servicio. Los haces o spot beams constituyen el resultado de concentrar la potencia radiada efectiva de que se dispone procedente del satélite hacia la Tierra.

En los satélites de comunicaciones los tipos genéricos de antenas normalmente utilizados son la antena reflectora y la phased array. La antena reflectora parabólica constituye el elemento tradicionalmente usado en los satélites de comunicaciones, por lo que se ha llegado a un buen nivel de madurez en su diseño; además, no es compleja desde un punto de vista estructural y tiene poco peso. Sin embargo, los nuevos desarrollos en materia de antenas se orientan hacia los phased array integrados activos, un tipo avanzado de antena utilizado en los satélites LEO que permite aumentar considerablemente la fiabilidad, prestaciones y la eficacia en lo que respecta a la potencia global.

En términos muy generales, un phased array es un conjunto de antenas individuales internconectadas, de manera que actúan como una antena grande. La forma es normalmente la de una superficie plana rectangular, con posibilidades de adaptación a superficies especiales como, por ejemplo, el fuselaje de un avión. La tecnología subyacente a estas antenas se basa en MMIC.

El mercado potencial de usuarios de servicios vía satélite es universal. Podríamos realizar una división en dos grandes grupos: usuarios finales y empresas. Para los usuarios finales los servicios más atractivos son todos aquellos relacionados con el ocio y el entretenimiento, así como el acceso a Internet y a formación a distancia. El teletrabajo también será un factor muy importante.

En cuanto a las empresas, lo que necesitan saber los administradores de red y comunicaciones es por qué necesitan utilizar satélites. A menudo es la única forma de acceder a localizaciones remotas. Terrenos montañosos en continentes como Sud América impiden infraestructuras de fibra debido a su alto coste no amortizable, siendo los satélites la solución óptima. También podemos extender este escenario a las comunicaciones entre ciudades o pueblos subdesarrollados donde las infraestructuras son pobres. Actualmente es la única posibilidad para las industrias marítimas y petrolíferas.

Las compañías también utilizan los satélites para reforzar sus redes terrestres. Por ejemplo, los servicios financieros de American International Group (Nueva York) recientemente han reemplazado dos líneas T1 desde U.S. hasta Japón con líneas RDSI y una comunicación vía satélite como back up, ahorrándose hasta $600.000 al año. Cuando la línea RDSI falla por cualquier razón no controlable, el servicio vía satélite continúa dando servicio.

Existe una infinidad de proyectos de comunicaciones globales vía satélite. Algunos se centrarán en zonas concretas de gran volumen de negocio y otros pretenden dar un servicio global. Algunos de estos proyectos se comentan a continuación.

Inmarsat. Inmarsat no ha resultado ajeno a estos movimientos. Tras un acuerdo inicial con Motorola para formar una alianza estratégica a fin de entrar en el mercado de las comunicaciones móviles globales por satélite, problemas relativos a las obligaciones previamente contraídas por Inmarsat respecto del servicio al sector marítimo, el compromiso no llegó a materializarse.

Motorola, aprovechando su experiencia en telefonía celular terrestre, lanzó su propio sistema, Iridium, un proyecto que en principio constaba de 777 satélites y que posteriormente se redujeron a 66 por problemas operativos. Inmarsat, por su parte, que ha de afrontar una inminente privatización, ha lanzado ICO Global Communications, empresa filial dedicada a sistemas de telefonía móvil personal basados en satélites MEO, mientras continúa dando el servicio a barcos y aviones para el que fue creado.

Iridium. Los 66 satélites de Iridium están situados en 6 órbitas a 700 kilómetros de altura; en cada órbita hay 11 satélites. Cada uno de estos satélites, desarrollados por la División de Comunicaciones por Satélite de Motorola (SATCOM), pesa aproximadamente 689 kilogramos y cuenta con tres antenas orientadas hacia la Tierra de tipo phased array en la banda L (1,6 GHz), que constituye el legado del programa de defensa SBR. Estas antenas suponen aproximadamente 100 módulos MMIC de transmisión y recepción y elementos radiantes.

Iridium utiliza una filosofía basada en las comunicaciones terrestres: cada satélite proyecta 48 haces sobre la Tierra creando células. Cuando el satélite se mueve, a 24.000 km/hora, también se mueve la célula, originando así un modelo celular dinámico.

La constelación está diseñada para proporcionar una red de comunicación personal que permita la transmisión de voz, fax o mensajes (paging) con cobertura global utilizando pequeños terminales telefónicos.

El modo de funcionamiento es el siguiente: mediante el teléfono, el usuario establece una comunicación directa con uno de los satélites, la señal va pasando de un satélite a otro hasta que llega a uno desde el que se "ve" al usuario que debe recibir la llamada; entonces la señal se retransmite por el enlace descendente hacia el usuario (provisto también con un terminal Iridium) que debe recibir la llamada o bien a un gateway que encamina la llamada a un teléfono convencional mediante las líneas terrestres convencionales.

Los satélites de Iridium utilizan on-board processing para encaminar las señales a una de las células, al gateway o a otro satélite.

El proyecto Iridium, que cuenta con un presupuesto de 3.500 millones de dólares, prevé haber conseguido el lanzamiento de todos los satélites a finales de 1998. Los lanzamientos se efectúan en colaboración con McDonell Douglas, China Great Wall Industry y el Centro Especial de Investigación y Producción Estatal Khrunichev de la Federación Rusa.

Globalstar. Globalstar es una constelación de 48 satélites situados en 8 órbitas inclinadas 52 grados hacia el Ecuador que utilizan del orden de 7.300 módulos MMIC y elementos radiantes. Cada satélite, que pesa 450 Kg, tiene 16 spot beams.

Esta constelación es transparente, en el sentido de que el satélite actúa sólo como transpondedor sin ningún valor añadido, es decir, se comporta únicamente como un repetidor espacial, lo que disminuye su complejidad y, en consecuencia, sus costes.

Las empresas implicadas en Globalstar forman un consorcio liderado por Qualcom y el fabricante de satélites Loral, ambas de Estados Unidos. Otras empresas participantes son Alenia Apazio, Air Touch, US West, Hyundai, Vodafone, Dacom, Daimler Benz, Elsag Bailey, Space Systems, France Telecom y Alcatel. El presupuesto se sitúa en torno a los 1.900 millones de dólares.

Odyssey. Odyssey es una constelación de 12 satélites MEO situados en dos órbitas inclinadas 55 grados propuesta por TRW, firma estadounidense del sector espacial y electrónico, y por empresas como Nortel, Nortel Matra, Spar Aerospace y NC, con un coste previsto en torno a los 1.800 millones de dólares.

Skybridge. Promovida principalmente por Alcatel, es una constelación de 64 satélites LEO con un presupuesto aproximado de 3.500 millones de dólares. Las previsiones de configuración se sitúan en el año 2001.

Teledesic. Constituye el proyecto más avanzado y el de mayores dimensiones en el contexto del estado actual de las constelaciones y, en consecuencia, es uno de los más controvertidos. Ideado por Craig McCaw, de la antigua Mc Caw Cellular Communications, financiado por Bill Gates, presidente de Microsoft, y apoyado por Boeing, que se encarga de fabricar y lanzar la constelación, Teledesic fue diseñado originalmente para utilizar 840 satélites LEO que funcionarán en la banda Ka y están situados en 21 órbitas a 700 kilómetros de la Tierra, aunque posteriormente este número se redimensionó a 288.

Cada satélite controlará 576 células de 53 kilómetros cuadrados con capacidad para gestionar 1.400 canales de voz simultáneos de 16 Kbps, 15 canales T1 a 1.544 Mbps o cualquier combinación del mismo ancho de banda acumulativo. La constelación completa puede llegar a suponer 40 millones de módulos transmisión/recepción MMIC y elementos radiantes, 1.180.000 antenas phased array y 1.200 baterías solares para generar cerca de 10 MW de potencia.

Teledesic ha sido comparado con el lanzamiento al espacio de un sistema de ordenadores de paralelismo masivo (una arquitectura mainframe en la que una única aplicación se puede distribuir entre hasta 64 CPU conectadas que operan simultáneamente), debido a los 282.000 mips que se esperan conseguir, así como al billón de bytes de memoria RAM.

Está previsto que estos satélites que operan en modo de transmisión ATM estén en órbita en su totalidad en el año 2000. Teledesic se dirige a un mercado global de aproximadamente 125 millones de PC, que crece a un ritmo del 20 por ciento anual. Un de sus objetivos es crear una red Internet móvil global, llamada Internet-in-the-Sky, a un mismo y único precio en todo el mundo.

Probablemente sea esta ambiciosa meta lo que despierta las crecientes controversias. Los propios integrantes de Teledesic definen a Internet-in-the-Sky como una tecnología intrínsecamente igualitaria, ya que posibilitará el acceso universal a Internet y a la sociedad de la información en igualdad de condiciones para todo el mundo.

Lo que sí es cierto, independientemente de la definición de objetivos y de las controversias que puedan surgir en lo que se refiere a posibilidades o planteamientos, es, en lo que ya se conoce como la guerra de Internet móvil, que la realidad de poder ofrecer los servicios Internet y multimedia de forma global y con unos requisitos mínimos de calidad es una función directa de la superioridad tecnológica del proyecto Teledesic. No obstante, se enfrenta a unos riesgos reales que surgen de la falta de precedentes en este tipo de proyectos.

Los 288 satélites operativos estarán divididos en 12 planos orbitales (24 en cada uno). Para lograr un uso eficiente del espectro de radiofrecuencias, se atribuirán las frecuencias de manera dinámica, volviendo a utilizarlas muchas veces dentro de la zona de un haz de cada satélite.

Dentro de cualquier área circular de 100 Km de radio, la red de Teledesic podrá soportar más de 50 Mbps de datos hacia y desde los terminales de los usuarios. La red soporta el ancho de banda bajo demanda, lo que permitirá a los usuarios pagar exclusivamente por la capacidad que en realidad usan, logrando al mismo tiempo que la red pueda soportar una cantidad de usuarios mucho mayor. Teledesic operará en una porción de la banda Ka de alta frecuencia: de 28,8 a 29,1 GHz en el enlace ascendente y de 18,8 a 19,3 GHz en el descendente.

La mayoría de los usuarios contará con conexiones bidireccionales que proporcionan un máximo de 64 Mbps en el enlace descendente y un máximo de 2 Mbps en el enlace ascendente. Los terminales de banda ancha soportarán 64 Mbps bidireccionales.

Celestri. Celestri LEO System es un sistema global de satélites no estacionarios (NGSO), que ofrece un gran abanico de servicios de comunicaciones de banda ancha en tiempo real dentro del marco de servicios denominados FSS (Fixed-Satellite Services). Celestri LEO System esencialmente completa la arquitectura Celestri de Motorola para comunicaciones de banda ancha vía satélite. Los otros ejes de esta arquitectura son los sistemas Millennium y M-Star.

El sistema Celestri incluye el Celestri Multimedia LEO System y el Celestri GEO System que se integran para proporcionar servicios de alta velocidad entre punto-a-punto, punto-a-multipunto y punto-a-difusión a todo el mundo.

El sistema Celestri LEO es una constelación de 63 satélites en la órbita baja (1400 Km de la Tierra), operando en la banda Ka, concretamente en las bandas 18,8-19,3 GHz y 19,7-20,2 GHz (espacio-a-Tierra) y 28,6-29,1 GHz y 29,5-30,0 GHz (Tierra-a-espacio). El sistema LEO esta diseñado para proporcionar 80 Gbps de ancho de banda útil a la Tierra. Los satélites en la constelación forman una red conmutada inteligente, interconectada a 4 Gbps de velocidad en enlaces intersatélites mediante laser para conseguir una robustez excelente.

Este sistema proveerá principalmente comunicaciones globales en tiempo real punto-a-punto. El Sistema Celestri GEO consiste en 9 satélites en la órbita geoestacionaria proporcionando cobertura a las grandes áreas pobladas de la Tierra. Cada uno de estos satélites proporcionan 84 haces o spot beams en cada región de cobertura con una capacidad máxima de 2,8 Gbps. Este sistema está pensado para servicios punto-a-multipunto poco sensibles al retardo, en el hemisferio Oeste.

También está prevista la incorporación del sistema M-Star en el sistema Celestri, proporcionando comunicaciones de banda ancha en la zona de 40-50 GHz. El sistema M-Star tendrá funciones de backbone. La combinación de los tres sistemas permite un servicio completo de aplicaciones de banda ancha tales como multimedia y aplicaciones de ancho de banda bajo demanda, a usuarios, pequeñas empresas, multinacionales y proveedores de servicios de Telecomunicaciones en todo el mundo.

El sistema Celestri LEO ofrecerá dos categorías de servicios. Primero, a través de proveedores de servicio, usuarios finales (no dedicados a negocios) usarán el sistema para acceder y conseguir contenidos en tiempo real. Las aplicaciones incluirán acceso a Internet, videoconferencia, transacciones financieras, entretenimiento, enseñanza a distancia y telemedicina. Esta clase de servicio proveerá acceso a la red con ancho de banda bajo demanda con velocidades hasta 10 Mbps. La segunda categoría permitirá a las compañías multinacionales y a las portadoras terrestres agregar señales de voz y datos.

La arquitectura Celestri permitirá el uso de terminales terrestres relativamente pequeñas, de baja potencia y bajo coste. También ofrecerá comunicaciones con retardos equivalentes a las comunicaciones terrestres para servicios globales en tiempo real.

Cada satélite contiene todo el hardware necesario para enrutar el tráfico de las comunicaciones a través de la red, incluyendo conexiones Tierra-a-espacio, espacio-a-Tierra y espacio-a-espacio. Con esta arquitectura, una señal recibida por un satélite puede ser retransmitida directamente hacia la tierra en el mismo o en un haz diferente, o retransmitida mediante el enlace óptico intersatélite a otros satélites desde los cuales se transmitirá hacia la tierra. Esta arquitectura permite interconexiones globales para la provisión de multimedia en tiempo real, datos, video y voz.

1998 y 1999 probablemente pasaran a la historia como el año de los satélites de comunicación personal (PCS). Los primeros de los dos grandes contendientes para el mercado de los PCS "Gran Leo", Iridium y Globalstar, estarán preparados en 1998 y 1999 para comenzar a operar sus sistemas de satélite suministrando comunicaciones a nivel internacional.

El mercado primario para estos sistemas de telefonía vía satélite serán los ejecutivos de negocios que en ocasiones viajan a áreas las cuales no se encuentran bajo la cobertura de la telefonía celular convencional pero también servirá para hacer llegar el teléfono a amplias áreas de los países del tercer mundo los cuales nunca han conocido ese medio así Globalstar prevé que el empleo de su sistema de satélites de comunicaciones podrá estar al alcance de tres mil millones de personas de países subdesarrollados.

Internet va a ser también la gran beneficiada por la puesta en marcha de los PCS. Los satélites permiten el envío de datos a alta velocidad de una manera más fiable y eficiente que los sistemas por cable, la estructura cliente-servidor de Internet hace que los usuarios reciban mas información que la que envían así que se piensa en un sistema de conexión en el cual el usuario envíe la solicitud de información a su proveedor vía cable y reciba la respuesta vía satélite alcanzándose por este medio velocidades de transmisión de datos comparables a los que permite la fibra óptica.

Servicios como DirecPC vía Eutelsat-Hotbird ya se encuentran en funcionamiento aunque la infraestructura necesaria para su uso todavía se encuentra solo al alcance de empresas importantes, se espera que más adelante con el uso de la banda Ka y el empleo de las constelaciones de satélites en órbita baja el acceso sea mucho más fácil para el usuario medio de Internet.

Entre los proyectos más avanzados en este campo caben destacar: Teledesic, Celestri, Skybridge, Astrolink, Spaceway, GE(x) Star y Spacebridge. Los sistemas principales PCS que se están poniendo en marcha son los siguientes:

Masa de Lanzamiento:12 satélites con una masa cada uno de 280 Kg. Operacional para el año 2000.

Configuración órbital:11 satélites operacionales espaciados a igual distancia y un satélite de repuesto en una órbita ecuatorial de 128 minutos de periodo.

Masa de Lanzamiento:17 de satélites de 700 a 800 kg. cada uno. Funcionamiento operacional para el año 2000.

Configuración órbital: Constelacion elipso-boreal consiste de dos planos inclinados de 116º. Cada satélite estará en una órbita elíptica (7500 x 670 km. con un periodo de 178 minutos) con cuatro satélites operacionales y uno de repuesto por plano,

Masa de Lanzamiento: 56 satélites de 456 kg. cada uno, el sistema se prevé que esté operacional en 1998.

Configuración órbital: Ocho planos con seis satélites operacionales cada uno y un satélite de repuesto por plano. Cada satélite estará en una órbita circular a 1400 km. inclinada 52º con un periodo órbital de 114 minutos.

Masa de Lanzamiento: 24 satélites cada uno con una masa de 2450 kg. El sistema será operacional en el año 2000.

Configuración órbital: Dos planos con 10 satélites operacionales cada uno y dos de repuesto por plano. Cada satélite estará en una órbita circular a 10300 km. inclinada 45º con un periodo órbital de 360 minutos.

Masa de Lanzamiento: 72 satélites con una masa de 689 kg. cada uno. El sistema será operacional en 1998.

Configuración órbital: Seis planos con 11 satélites operacionales cada uno mas un satélite de repuesto por plano. Cada satélite estará en una órbita circular a 780 km. inclinada 86º con un periodo órbital de 101 minutos.

ODYSSEY

Propietario:Odyssey Telecommunications International, Inc. (TRW and Teleglobe, Inc)

Masa de Lanzamiento: 18 satélites con una masa de 2200 kg. cada uno. Será operacional para el año 2001.

Configuración órbital:Tres planos con cuatro satélites operacionales y dos satélites de repuesto por plano. Cada satélite estará en una órbita circular de 10300 km. inclinado 50º con un periodo órbital de 360 minutos.

ORBCOMM

Masa de lanzamiento: 24 satélites con una masa de 40 kg. cada uno. Será operacional en 1998.

Configuración órbital:Tres planos con ocho satélites operacionales por plano. Cada satélite estará situado en una órbita circular de 770 km. con una inclinación de 45º con un periodo órbital de 101 minutos.

TELEDESIC

Masa de Lanzamiento: 288 satélites con una masa de 1500 kg. cada uno. Será operacional para el año 2002.

Configuración Orbital:12 planos con 24 satélites operacionales mas algunos de repuesto en cada plano. Cada satélite estará en una órbita circular de 1350 km. inclinada 90º aproximadamente con un periodo órbital de 113 minutos.