U-III_Comunicaciones_Satelitales_final.pdf
-
Upload
ervin-davila -
Category
Documents
-
view
23 -
download
12
Transcript of U-III_Comunicaciones_Satelitales_final.pdf
CURSO: Microondas,
Comunicaciones por Satélite y Redes
de Fibra Óptica
Unidad III: Comunicaciones
Satelitales
• Ing. Oscar Somarriba, PhDc.
• Profesor Titular, M-GTIC/UNI-FEC
• E-mail:[email protected]
Comunicaciones
Satelitales
Comunicaciones Satelitales
Libro de Freeman
Capítulos 6, 7 & 8
ING. OSCAR SOMARRIBA 4
SISTEMAS DE
COMUNICACIONES VIA
SATÉLITE
Ing. Oscar Somarriba, PhDc.
Profesor Titular, UNI-FEC
Email:[email protected]
ING. OSCAR SOMARRIBA 5
Objetivos Generales de la Unidad
• Conocer los diferentes componentes de un
sistema digital de comunicación por satélite.
• Discutir los principales tópicos físicos,
arquitectónicos y la conexión de redes con
sistemas satelitales.
• Definir los parámetros relacionados con el
desempeño de un sistema digital de
comunicación por satélite. Así como saber
calcularlos para especificaciones dadas.
• Explicar y aplicar las tecnologías de redes
VSAT modernas.
ING. OSCAR SOMARRIBA 6
Agenda
• COMPONENTES DE LA COMUNICACIÓN
POR SATÉLITE
• ESTACIONES TERRENAS
• ANÁLISIS DE ENLACE VIA SATELITE
• TECNICAS DE ACCESO: FDMA & TDMA
• SISTEMAS SATELITES DIGITALES
• REDES VSAT
ING. OSCAR SOMARRIBA 7
Agenda
ESTACIONES TERRENAS
ANÁLISIS DE ENLACE VIA SATELITE
TECNICAS DE ACCESO: FDMA & TDMA
SISTEMAS SATELITES DIGITALES
REDES VSAT
COMPONENTES DE UN SISTEMA DE
COMUNICACIÓN POR SATÉLITE
ING. OSCAR SOMARRIBA 8
Objetivos de la Primera Sección
• Listar y describir los diferentes componentes
de un sistema de comunicación digital por
satélite.
• Comparar los diferentes sistemas de
comunicación digital por Satélite existentes.
• Listar las ventajas de la comunicación digital
por satélite.
ING. OSCAR SOMARRIBA 9
Componentes de un sistema de
comunicación por satélite.
• Generalidades
• Sistemas de comunicación por Satélite
• Arquitectura de un sistema de comunicación
digital por Satélite
• Características de los sistemas de
comunicación digital por Satélite
• Ventajas de los sistemas de comunicación
digital por Satélite
• Introducción a las redes VSAT
• Review
ING. OSCAR SOMARRIBA 10
Pioneeros en Comunicaciones Satelitales
• Konstantin Tsiolkovsky (1857 - 1935) Russian visionary of space flight First described the multi-stage rocket as means of achieving orbit. – Link: The life of Konstantin Eduardovitch Tsiolkovsky
• Hermann Noordung (1892 - 1929) Postulated the geostationary orbit. – Link: The Problem of Space Travel: The Rocket Motor
• Arthur C. Clarke (1917 – 19 March 2008) British visionary that postulated the entire concept of international satellite telecommunications from geostationary satellite orbit including coverage, power, services, solar eclipse. – Link: "Wireless World" (1945)
ING. OSCAR SOMARRIBA 11
Source: Union of Concerned Scientists [www.ucsusa.org]
Misiones de los Satélites
ING. OSCAR SOMARRIBA 12
La Atmósfera Terrestre
Source: All about GPS [www.kowoma.de]
ING. OSCAR SOMARRIBA 13
GENERALIDADES
Un sistema de comunicación por Satélite está
compuesto por :
• Un sistema de comunicación que consta de: el
Satélite, el Canal y, la Estación Terrena.
• Un sistema de comunicación que consta de:
el Satélite, el Canal y el Usuario.
Satélites de comunicaciones
• ¿Qué es un satélite de comunicaciones?
– Un “retransmisor radioeléctrico” en el espacio
– Recibe, amplifica y reorienta señales hacia la tierra
o a otros satélites (ISL)
¿Por qué emplear las comunicaciones por satélite?
• Alto cubrimiento geográfico
• Reducción del problema
de la línea de vista
• Elevada confiabilidad (99.9% Up
time)
• Difusión confiable de
información
• Fácil de instalar
• Soporta diversas aplicaciones:
– Video
– Datos
– Voz
¿Por qué emplear comunicaciones satelitales?
• Ideal para redes
distribuidas y
punto multipunto
• Ancho de banda
asimétrico
• Bajo BER
• Entrega
simultánea de
datos a varios
puntos
• Independencia de
una red pública
ING. OSCAR SOMARRIBA 17
SATÉLITE
Diferentes tipos de Satélites:
• Satélite Tradicional
Funciona como un espejo o simple
repetidor.
•Recibe señales
•Amplifica
•Cambia la frecuencia, Amplifica, y
retransmite.
ING. OSCAR SOMARRIBA 18
SATÉLITE (Contin.)
Diferentes tipos de Satélites
•Satélite Regenerrativo:
Ofrece la posibilidad de procesar las
señales en el espacio antes de
retransmitirlas hacia la tierra
•Demodula las señales
•Conmuta en banda base, de ser
necesario
•Modula las señales
•Ejecuta las otras funciones del Satélite
convencional
Tipos de Satélites
• GEO
– A 36000 Km.(~5,6 del radio de la tierra)
– Período orbital 23 h, 56 min. y 4 seg.
• MEO
– Altura entre 10.075 y 20.150 Km.
– Su posición relativa respecto a la superficie no es
fija.
• LEO
– Situados a 1.500 Km. por termino medio
– Períodos orbitales se encuentran entre los 90 y los
120 minutos.
– Constelación de satélites.
Satélites Geoestacionarios
• Ventajas:
– Los satélites tienen la misma velocidad angular
que la tierra, con lo que pueden establecer
radioenlaces con estaciones terrenas cuyas antenas
apuntan a un punto fijo en el cielo.
– La elevada altitud de la órbita posibilita que 3
satélites sean suficientes para cubrir toda la
superficie terrestre.
Satélites Geoestacionarios
• Desventajas:
– Las zonas de servicio de los satélites (footprints)
son muy grandes, con lo que se malgasta parte de
ella en regiones indeseadas como océanos, zonas
poco pobladas, etc.
– Debido a la elevada altitud de la órbita, las
pérdidas por atenuación son considerables. No es
posible diseñar terminales portátiles de bolsillo.
– También a causa de la distancia, el retardo de
propagación es lo suficientemente elevado
– Al ser la órbita ecuatorial, la cobertura empeora
notablemente con la latitud.
Parámetros de GEO ideal
Periodo del satélite (T) 23 hr, 56 min, 4 seg
Radio de la Tierra (r) 6,377 Km
Altitud del satélite (h) 35,779 Km
Radio de la Órbita (d = r+h) 42,157 Km
Inclinación (respecto al
ecuador) 0
Velocidad tangencial del
satélite (v) 3.074 km/seg
Excentricidad de la órbita 0
PARÁMETROS DE UNA ÓRBITA GEOESTACIONARIA
Satélites de Orbita Baja
• Ventajas:
– Débil atenuación del enlace, lo que posibilita la
reducción del tamaño de los satélites y de los
terminales, que pueden ser fácilmente de bolsillo.
– Retardo de propagación tolerable para servicio de
voz en tiempo real.
– Posibilidad de cobertura en los polos (con órbitas
inclinadas).
– Las zonas de servicio son pequeñas, permitiendo
un mejor aprovechamiento de las mismas.
– Una red LEO puede contar con ISL´s, lo que
supone una alternativa a las redes terrestres.
Satélites de Orbita Baja
• Desventajas:
– Para obtener cobertura global, necesitamos
una constelación de decenas de satélites.
– El empleo de ISL´s, conlleva un aumento
considerable de la complejidad del satélite.
– Debido a la elevada velocidad del satélite
respecto de la tierra, la conmutación de
llamadas en curso (handover) es frecuente.
Características
Resumen de orbitas
• Distancia a la tierra: (GEO, MEO, LEO)
• Plano orbital respecto al plano ecuatorial
terrestre: (ecuatorial, inclinada, polar)
• Trayectoria orbital: (circular, elíptica)
• Geosíncrona: Circular con período de un día
sideral.
• Geoestacionaria: Igual que el geosíncrono pero
tiene cero grados respecto al plano ecuatorial.
Bandas de Frecuencias
BANDASFRECUENCIA DE
TRABAJO
Banda P 200-400 Mhz.
Banda L 1530-2700 Mhz.
Banda S 2700-3500 Mhz.
Banda C
3700-4200 Mhz.4400-4700 Mhz.
5725-6425 Mhz.
Banda X 7900-8400 Mhz.
Banda Ku1 (Banda PSS) 10.7-11.75 Ghz.
Banda Ku2 (Banda DBS) 11.75-12.5 Ghz.
Banda Ku3 (Banda Telecom) 12.5-12.75 Ghz.
Banda Ka 17.7-21.2 Ghz.
Banda K 27.5-31.0 Ghz.
Banda C Banda Ku Banda Ka
La banda C se refiere al margen 5,9 – 6,4 GHz para el canal ascendente y 3,7 – 4,2 para el descendente. Proporciona transmisiones de más baja potencia que la Ku, más cobertura geográfica, con un plato del orden de 3 m, con un mayor margen de error de apuntamiento.
Bandas de Frecuencias
Banda C Banda Ku Banda Ka
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, el plato de la antena receptora es del orden de 1,22 m., pero la cobertura es menor, no la afectan las interferencias terrestres, pero sí las perturbaciones meteorológicas, producen distorsiones y ruido en la transmisión.
Bandas de Frecuencias
Banda C Banda Ku Banda Ka
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 satisfacer la creciente saturación de las bandas C y Ku.
Bandas de Frecuencias
ING. OSCAR SOMARRIBA 31
SISTEMAS SATELITALES
(Recapitulando)
Orbitas Satelitales:
• Satélites de baja órbita (LEO):
Distancia: 2000 Km
Período de rotación: 90 min- 2 hrs.
Retardo: 140-220 ms
Ejemplos: Globalstar (48 Satélites a 1400
Km), Iridium (66 Satélites a 780 Km).
ING. OSCAR SOMARRIBA 32
SISTEMAS SATELITALES
• Satélites de órbita intermedia (MEO):
Distancia: 10,000 - 14,000 Km
Período de rotación: 6 hrs
Retardo: 220 ms
Ejemplos:
– Odyssey, 36 Satélites a 10,356 km
– ICO-Global, 10 Satélites a 10, 355 km
– El Sistema GPS, 24 satélites @ 20,200 km
– El Sistema Galileo, 30 satélites@23,200 km.
ING. OSCAR SOMARRIBA 33
• Satélites de órbita geoestacionaria (GEO):
Distancia: 35,800 Km
Período de rotación: 24 hrs (En sincronía con
la tierra)
Retardo: 370 ms
Ejemplo: INTELSAT VII.
SISTEMAS SATELITALES
ING. OSCAR SOMARRIBA 34
COMPARACIÓN DE LAS ÓRBITAS
Ventajas Desventajas
LEO Diversidad
Satélites mas baratos
Menor potencia
Menor retardo de la señal
Cantidad de satélites
Sistema de comunicación complejo
MEO Menos cantidad de satélites Requieren más potencia que los LEO
GEO Posición fija sobre la tierra
Pocos satélites
Satélites más grandes y caros
Mayor retardo
ING. OSCAR SOMARRIBA 35
HEO - Highly Elliptical Orbits
• HEOs (i = 63.4°) are suitable to provide coverage at high latitudes (including North Pole in the northern hemisphere)
• Depending on selected orbit (e.g. Molniya, Tundra, etc.) two or three satellites are sufficient for continuous time coverage of the service area.
• All traffic must be periodically transferred from the “setting” satellite to the “rising” satellite (Satellite Handover)
ING. OSCAR SOMARRIBA 36
ARQUITECTURA DE UN SISTEMA DE
COMUNICACIÓN DIGITAL POR
SATÉLITE
• Segmento Espacial:
Está compuesto por el conjunto de satélites
utilizados.
• Segmento Terrestre:
Estaciones Terrenas.
ING. OSCAR SOMARRIBA 37
Datos, Telefonía, TV
Segmento Espacial
Estación de
Control
Segmento Terrestre
Datos, Telefonía, TV
Arquitectura de un sistema de
comunicaciones por Satélite
ING. OSCAR SOMARRIBA 38
Características de los sistemas de
comunicación por satélite
• Bandas de Frecuencias Utilizadas
• Modulación
• Sistemas de Acceso Múltiple
• Reuso de frecuencias por polarización
ortogonal
ING. OSCAR SOMARRIBA 39
SATÉLITE
Up-link
Forward
Down-link Reverse Down- link
Reverse Up-link
BANDAS DE FRECUENCIAS UTILIZADAS
ING. OSCAR SOMARRIBA 40
Banda de Frecuencia Rango (GHz)
L 1- 2S 2- 4
C 4- 8
X 8- 12Ku 12- 18
K 18- 27
Ka 27- 40Milimeter 40- 300
Bandas de Frecuencias Utilizadas
ING. OSCAR SOMARRIBA 41
MODULACIÓN
Codificación de la fuente:
• PCM
• ADM
• ADPCM
Modulación:
• PSK
• QPSK
• MSK
Bandas de Frec. Disponibles para
Comunicaciones Satelitales
Factores que afectan el desempeño
de un “Satellite Link”
• Distancia entre la antena de la Estación Terrena
(E/T) y la antena del satélite
• Para el DL (downlink), la distancia terrestre entre la
antena de la E/T y el “aim point” del satélite
– Se muestra como una huella del satélite (“footprint”)
(Figura en la siguiente página)
• Atenuación Atmosférica
– Afectada por oxígeno, agua, ángulo de elevación, &
frecuencias altas
Satellite Footprint
ING. OSCAR SOMARRIBA 45
Diagrama Simplificado de un
transponder (from Freeman)
Transponder
• A communications satellite’s transponder, is the series of interconnected
units which form a communication channel between the receiving and the
transmitting antennas.
• A transponder is typically composed of:
• An input band limiting device (a band pass filter)
• An Input low-noise amplifier (LNA), designed to amplify the (normally
very weak, because of the large distances involved) signals received from
the earth station
• A frequency translator (normally composed of an oscillator and a
frequency mixer- used to convert the frequency of the received signal to
the frequency required for the transmitted signal
• A output band pass filter
• A power amplifier (this can be a TWT or a solid state amplifier).
Wikipedia
ING. OSCAR SOMARRIBA 46
Satellite Network Configurations
ING. OSCAR SOMARRIBA 48
DETERMINACION DEL RANGO Y
ANGULO DE ELEVACION
Fuente: Freemam página 309
ING. OSCAR SOMARRIBA 49
DETERMINACION DEL RANGO Y
ANGULO DE ELEVACION (2)
ING. OSCAR SOMARRIBA 50
DETERMINACION DEL RANGO Y
ANGULO DE ELEVACION (3)
ING. OSCAR SOMARRIBA 51
DETERMINACION DEL RANGO Y
ANGULO DE ELEVACION (4)
Ejemplo 1
ING. OSCAR SOMARRIBA 52
ING. OSCAR SOMARRIBA 53
DETERMINACION DEL RANGO, AZIMUT Y ANGULO
DE ELEVACION por medio Gráficos
Aplicación del rango al Cálculo de las Pérdidas
de Espacio Libre (A0) en enlace satelitales
• We can generalize the path loss for other frequencies and path lengths using the formula:
• where A0 is the free-space path loss in decibels, f is the frequency in gigahertz, and R is the path length in kilometers.
• The term on the right can be expressed in terms of the elevation angle from the Earth station toward the satellite,
Pérdidas de Espacio Libre
• The term on the right can be expressed in terms
of the elevation angle from the Earth station
toward the satellite. i.e.
• where φ is the latitude and δ is the longitude of
the Earth station minus that of the satellite (e.g.,
the relative longitude).
Pérdida de Espacio Libre: Ajuste
del rango Inclinado (slant range)
• Substituting for R in Ao we obtain the correction term in decibels to
account for the actual path length. • This is referred to as the slant range adjustment and is a function of the
elevation angle, θ as shown in Figure 2.2.
ING. OSCAR SOMARRIBA 57
MUX
Modula
ción
Acceso Múltiple
DATOS
VOZ
Cod.
De la
fuente
y Mod.
Analógica SSB
FM
FDM FM FDMA
Digital PCM
DM
PCM
TDM
TDM
PSK
QPSK
TDMA
FDMA
CDMA
SISTEMAS DE ACCESO MÚLTIPLE
ING. OSCAR SOMARRIBA 58
f
t
Usuario 1
Usuario 2
Usuario 3
Usuario m
f
t
Usu
ario
1
Usu
ario
2
Usu
ario
3
Usu
ario
m
FDMA, TDMA y CDMA
FDMA
TDMA
f
t
U 1 U 2 U 3
U m
U 4
CDMA
ING. OSCAR SOMARRIBA 59
REUSO DE FRECUENCIAS POR
POLARIZACIÓN ORTOGONAL
• Una onda esta circularmente polarizada
cuando el campo eléctrico mantiene una
longitud constante y rota en el tiempo
• Polarización circular derecha es aquella onda
donde el vector del campo eléctrico rota en
contra de la rotación del reloj
• Polarización circular izquierda es aquella
onda donde el vector del campo eléctrico rota
en la dirección de rotación del reloj
ING. OSCAR SOMARRIBA 60
VENTAJAS DE LA
COMUNICACIÓN SATELITAL
DIGITAL
• QPSK-TDMA permite acomodar gran
cantidad de estaciones terrenas con bajas
pérdidas
• Rápida respuesta a las variaciones de tráfico
• Corrección de errores
• CDMA permite utilizar ¨micro earth stations¨
(antenas de 0.5-m)
ING. OSCAR SOMARRIBA 61
Agenda
ANÁLISIS DE ENLACE RF
TECNICAS DE ACCESO:
FDMA & TDMA
SISTEMAS SATELITALES DIGITALES
REDES VSAT
ESTACIONES TERRENAS
COMPONENTES DE UN SISTEMA DE
COMUNICACIÓN POR SATÉLITE
ING. OSCAR SOMARRIBA 62
Objetivos de la Segunda Sección
• Listar y describir los diferentes componentes de
una estación terrena de comunicación digital por
satélite.
• Realizar cálculos relativos a Ganancia de antenas,
potencia isótropica radiada equivalente (PIRE).
• Conocer los diferentes tipos más comunes de
Amplificadores de Potencia y de bajo ruido usado
en Estaciones Terrenas.
ING. OSCAR SOMARRIBA 63
Estaciones Terrenas (Agenda)
• Antenas de Estaciones Terrenas
• Amplificadores de Potencia
• Amplificador de bajo ruido
• Convertidores Ascendentes
• Convertidores Descendentes
• Moduladores y Demoduladores
• Monitoreo y Control
• Review
ING. OSCAR SOMARRIBA 64
Estación Terrena
Estación Terrena
Estaciones Terrenas
SATELITE
ING. OSCAR SOMARRIBA 65
Diagrama Funcional de una E/T Digital
Encoder Modulador U/Converter HPA
E
ANTENA
B
LNA D/Converter Demodulador
RT
Decoder
LEYENDA
E/T = ESTACION TERRENA
HPA = AMPLIFICADOR DE ALTA POTENCIA
LNA = AMPLIFICADOR DE BAJO RUIDO
U/CONVERTER = CONVERTIDOR ASCENDENTE
D/CONVERTER = CONVERTIDOR DESCENDENTE
EB = EQUIPO DE BANDA BASE
RT = RED TERRESTRE
ING. OSCAR SOMARRIBA 66
Receptor de rastreo
Servomecanismo
de la antena
Control de
apuntamiento
de la antena
Rastreo
D
I
P
L
E
X
O
R MOTORES DE
MOVIMIENTO
Antena
Programa Planta de
baterías locales
ESTACIONES TERRENAS
Señales en
banda base
Amplificador de
bajo ruido
Receptor
Modulador Amplificador de
alto poder
Amplificador de
Transmisor
Señales en
banda base
Demodulador Convertidor
Reductor
Convertidor
elevador
Sistema de
alimentación de
energía
Entrada de
datos de
apuntalamiento
Red comercial
ING. OSCAR SOMARRIBA 67
Agenda
Antenas de Estaciones Terrenas
• Amplificadores de Potencia
• Amplificadores de bajo ruido
• Convertidores Ascendentes
• Convertidores Descendentes
• Moduladores y Demoduladores
• Monitoreo y Control
• Review
ING. OSCAR SOMARRIBA 68
Antenas de Estaciones Terrenas
• La antena es un transductor electromagnético.
• La antena de una E/T tiene tres requerimientos:
– Tener una ganancia altamente directiva
– Debe tener una baja temperatura de ruido.
– Tener Un apuntalamiento Fácil
• Tipos de antenas:
– Antena parabólica
– Antena Cassegrain
ING. OSCAR SOMARRIBA 69
Parámetros de una antena
• Ganancia:
– La “gain” de una antena es la razón de la potencia
(ó recibida) por ángulo sólido unitario radiada por
la antena en una dirección dada, a la potencia (ó
recibida) por ángulo sólido unitario radiada por
una antena isotrópica alimentada por la misma
potencia total.
– Máxima ganancia es la dirección de máxima
radiación y tiene un valor dado por
efectivamax AG2
4
ING. OSCAR SOMARRIBA 70
Parámetros de una antena (Cont.)
• Patrón de radiación:
– El patrón de radiación de una antena indica las
variaciones de la ganancia con la dirección.
• Ancho de haz de media potencia
– Es conveniente caracterizar el ancho del patrón de
radiación por medio de un ángulo entre la
dirección en la cual cae a la mitad de su valor
máximo. Este ángulo es llamado Ancho de haz de
3dB.
ING. OSCAR SOMARRIBA 71
Lóbulos Secundarios
Lóbulo Principal
Dirección de máxima
ganancia
PATRÓN DE RADIACIÓN
DE LA ANTENA
ING. OSCAR SOMARRIBA 72
Dirección de máxima radiación
Ancho del haz
Arco geoestacionario
Haz principal de radiación
ING. OSCAR SOMARRIBA 73
Revisando el Patrón de Radiación
de la ANTENA
Los parámetros mas importantes del patrón de
radiación son:
– Su Ganancia, El factor de amplificación de señales de la
antena.
– Su Ancho de Haz, lo cual es el una medida del ángulo
sobre el cual la mayor parte de la ganancia se mantiene.
– Sus lóbulos laterales, que es una medida de la ganancia
fuera de los ejes de apuntalamiento deseado.
ING. OSCAR SOMARRIBA 74
Antena de la Estación Terrena
La intensidad de la señal radiada depende de la
ganancia de la antena, la cual es una función
de:
– El diámetro de la antena D (m)
– La longitud de onda de la señal radiada = c/f
– La velocidad de la luz, c = 3x108 m/s
– La eficiencia de la apertura de la antena (construcción)
( <1). Un valor típico es 0.6
– La incertidumbre del ángulo de apuntalamiento
ING. OSCAR SOMARRIBA 75
Ganancia de la antena y patrón de
radiación
• Ganancia máxima es:
donde D = diámetro de la antena (m), etc.
• Ancho del haz:
Dirección de máxima radiación
2
max
DG
D
-3 dB
-3 dB
-3dB
grados 70 3dB-D
hazdelAncho
ING. OSCAR SOMARRIBA 76
EJERCICIO
Calcule la ganancia máxima y el ancho de haz
de una antena de 1 m de diámetro, a 6 GHz y
12 GHz, y de otra antena de 4 m de diámetro,
también a 6 GHz y 12 GHz.
ING. OSCAR SOMARRIBA 77
PIRE: Potencia Isótropica Radiada
Equivalente (o Efectiva)
• PT = Potencia del transmisor (W)
• GT = Ganancia de la antena transmisora (depende de )
Señal
PT = 0º
1
2
GT ()
PIRE =PT GT
[GT] dB = [Gmax]dB-12(/-3dB)²
Cuando = O , PIRE es máximo PIRE max = PT Gmax
ING. OSCAR SOMARRIBA 78
EL ALIMENTADOR DE LA
ANTENA
• El alimentador es una fuente puntual de
energía que ilumina de manera uniforme la
superficie parabólica.
• El alimentador realiza las siguientes funciones:
– Conformar el haz para proporcionar iluminación
uniforme al reflector principal.
– Separación de las señales de TX y RX con
pérdidas e interferencia mínima.
– Convertir la polarización de las señales de los
enlaces ascendentes y descendentes (circular
<==>lineal)
ING. OSCAR SOMARRIBA 79
EL ALIMENTADOR DE LA
ANTENA (Cont.)
• Producir señales de error que representen el
grado de descentramiento de haz principal.
• Los componentes del alimentador son:
– bocina cónica corrugada (sistema Cassegrain)
– Diplexor, este último permite las señales de TX y
RX utilicen la misma guía de ondas, manteniendo
al mínimo la acción recíproca entre ellas.
ING. OSCAR SOMARRIBA 80
Antena Parabólica
D
OMT= Orthomode transducer
Transductor Ortomodal (ejemplo
VSAT)
ING. OSCAR SOMARRIBA 81
Outdoor unit,
includes feed horn,
OMT, LNB and BUC LNB = Low Noise Block Converter
BUC= Block Up Converte
ING. OSCAR SOMARRIBA 82
Antena Cassegrain
ING. OSCAR SOMARRIBA 83
Agenda
•Antenas de Estaciones Terrenas
Amplificadores de Potencia
• Amplificadores de bajo ruido
• Convertidores Ascendentes
• Convertidores Descendentes
• Moduladores y Demoduladores
• Monitoreo y Control
• Review
ING. OSCAR SOMARRIBA 84
Amplificadores de Potencia
• El HPA es el que imprime la potencia final de
transmisión a la señal de bajo nivel de las
portadoras RF provenientes del equipo de
comunicación terrestre hacia el satélite en el
enlace ascendente o de subida.
• Los amplificadores de Potencia (HPA) mas
utilizados son:
– Klistrón
– TWTA (Tubos de Ondas Progresivas)
– SSPA (Amplificadores de Potencia de Estado
Sólido)
ING. OSCAR SOMARRIBA 85
Principales Características de HPA
BANDA C (5.925-.245 GHz) Banda Ku (14-14.5 GHz)
TIPO DE HPA Ancho de Banda
(MHz)
Potencia de Salida
(Watts)
Ancho de
Banda (MHz)
Potencia de Salida
(Watts)
TWTA 500
50-10000
500 50-3000
KLISTRÓN 40/80 400-5000 100 1500-2000
SSPA (FET) 500 5-50 500 1-6
ING. OSCAR SOMARRIBA 86
Configuración de Redundancia (1+1)
HPA 1
HPA 2
CARGA ACOPLADA
Divisor de
Potencia
Desde el Convertidor
de Subida ALIMENTADOR
DE LA ANTENA
SWITCH
DE GUIA
DE ONDA
ING. OSCAR SOMARRIBA 87
Agenda
• Antenas de Estaciones Terrenas
• Amplificadores de Potencia
Amplificadores de bajo ruido
• Convertidores Ascendentes
• Convertidores Descendentes
• Moduladores y Demoduladores
• Monitoreo y Control
• Review
ING. OSCAR SOMARRIBA 88
Amplificadores de bajo ruido
• Señal de llegada muy débil
• Baja Temperatura de ruido, T
• Ganancia alta,G. / Típicamente, 40-60 dB
ING. OSCAR SOMARRIBA 89
LNA disponibles en el mercado
TIPO FORMA DE
REFRIGERACION
TEMPERATURA DE
RUIDO TIPICA (º K)
PARAMÉTRICO CRIOGÉNICA 15
PARAMÉTRICO TERMOELÉCTRICA 35-40
PARAMÉTRICO COMPENSACIÓN
DE TEMPERATURA
50-60
FET TERMOELÉCTRICA 45-60
BANDA C
(3.7-4.2 GHz)
FET COMPENSACIÓN
DE TEMPERATURA
75
PARAMÉTRICO CRIOGÉNICA 20
PARAMÉTRICO TERMOELÉCTRICA 80-100
PARAMÉTRICO
COMPENSACIÓN
DE TEMPERATURA 100-150
FET TERMOELÉCTRICA 90-140
BANDA Ku(11.7-12.2
GHz)
FET COMPENSACIÓN
DE TEMPERATURA
200-250
ING. OSCAR SOMARRIBA 90
Circuito Equivalente del Amplificador
Paramétrico
1
2
3
Señal de
entrada
Señal de
salida
Carga
C sen wpt
Resuena a la
frecuencia w1 Resuena a la
frecuencia w2
Te (w1/w2) Tv
Tv la temperatura de operación
del Varactor
wp = w1+ w2
ING. OSCAR SOMARRIBA 91
Amplificador FET de GaAs
min s
FET de
GaAs
Red de
Acople de
entrada
Red de
Acople de
salida
F = Figura de Ruido = Fmin + 4rn(Abs(s- min)²/(1-Abs(s)²)*(Abs(1+ min)²)
con Fmin = Figura de ruido mínima del Amplificador FET
s = Coeficiente de reflexión de la fuente
min = Coeficiente de reflexión de la fuente que produce Fmin
rn = Resistencia de entrada normalizada del amplificador FET
Carga
ING. OSCAR SOMARRIBA 92
Agenda
• Antenas de Estaciones Terrenas
• Amplificadores de Potencia
• Amplificadores de bajo Ruido
Convertidores Ascendentes
• Convertidores Descendentes
• Moduladores y Demoduladores
• Monitoreo y Control
• Review
ING. OSCAR SOMARRIBA 93
Convertidores Ascendentes
• Un Convertidor de ascendente acepta la
portadora modulada en IF desde el modulador,
y traslada la frecuencia IF fo a la frecuencia de
subida RF fu en el espectro ascendente del
satélite, mezclando fo con la frecuencia del
oscilador local (LO), fl .
• Conversión simple se ilustra:
fo
fu
fl
BPF
Mixer
BPF = Filtro Pasabanda
ING. OSCAR SOMARRIBA 94
Convertidores Ascendentes
(Continuación)
• Este proceso (Conversión) se puede hacer un
uno (conversión simple) o dos pasos
(conversión doble o dual) • La Conversión dual se ilustra:
fo
fu
fl1
BPF 1
Mixer 1
fl2
BPF 2
Mixer 2
ING. OSCAR SOMARRIBA 95
Convertidores Ascendentes
• El filtro pasabanda selecciona una de las
bandas laterales.
• El proceso de conversión genera frecuencias
espurias de los productos cruzados y genera
frecuencias armónicas, por lo que todas ellas
deben ser mitigadas en esta etapa.
• En esta etapa se amplifica la señal IF hasta el
nivel requerido por la etapa RF.
• Se provee ecualización para el Retardo de
Grupo.
ING. OSCAR SOMARRIBA 96
Agenda
• Antenas de Estaciones Terrenas
• Amplificadores de Potencia
• Amplificadores de bajo Ruido
• Convertidores Ascendentes
Convertidores Descendentes
• Moduladores y Demoduladores
• Monitoreo y Control
• Review
ING. OSCAR SOMARRIBA 97
Convertidores Descendentes
• Un Convertidor de Descendente (CD) recibe la
portadora modulada RF desde el LNA, y
traslada su radio frecuencia fd de las
frecuencias de bajada del espectro del satélite
a la frecuencia intermedia fo .
• Esta operación igual que la conversión de
subida puede realizarse por conversión simple
y conversión dual.
ING. OSCAR SOMARRIBA 98
Agenda
• Antenas de Estaciones Terrenas
• Amplificadores de Potencia
• Amplificadores de bajo Ruido
• Convertidores Ascendentes
• Convertidores Descendentes
Moduladores y Demoduladores
• Monitoreo y Control
• Review
ING. OSCAR SOMARRIBA 99
Moduladores y Demoduladores
• El modulador toma la señal Banda Base (BB)
(multiplexada o no) y la traslada a frecuencia
intermedia (IF).
• Los principales objetivos del Bloque Modulador son:
– Maximizar la eficiencia de potencia o de ancho de banda
utilizado.
– Incorporar los algoritmos de control de errores.
– Realizar filtraje para ajustar la señal modulada al ancho de
banda requerido y frecuencias indeseadas sean eliminadas.
– Trasladar en frecuencia la señal BB (modular).
ING. OSCAR SOMARRIBA 100
Moduladores y Demoduladores
• El bloque de Demodulación realiza la
operación reversa al Modulador.
• Traslada la señal IF a señal en Banda Base.
• Realiza la operación decodificación para
realizar el control de errores.
Ejemplos de Algunas Aplicaciones
Comunicaciones Satelitales
ING. OSCAR SOMARRIBA 101
Sistema DBS TV/FM (inicios de la Rx de
TV por satélite)
ING. OSCAR SOMARRIBA 102
DBS = Digital Broadcast Satellite
Content Delivery Networks
• A content delivery network (CDN) is a point-to-multipoint satellite network that uses the broadcast feature to inject multimedia content (particularly Web pages and specific content files such as software updates and films) into remote servers and other types of caching appliances.
• The remote cache could be a dedicated server connected to the local infrastructure of the Internet.
• This greatly reduces the delay associated with accessing and downloading the particular content.
• Another style of CDN is to put the content directly into the PC hard drive; for this to work, the PC must have a direct connection to the remote CDN terminal.
• The first CDNs appeared during the Internet boom of 1999–2000; many have not survived the shakeout.
• However, some organizations are using and developing CDNs as a structure to propagate content to remote locations to bypass the cost and congestion of the terrestrial Internet.
• The ground equipment and software to create a CDN may be blended with that used for digital TV, The fact that the content appears to be local to the user enhances the interactive nature of the service.
• Thus, the central content store does not directly process requests from users.
Content Delivery Networks
• Structure of a content delivery network with reliable file transfer. (Courtesy of Scopus.)
105
Satellite Delivered Digital Audio Radio Service
• Satellite construction and launch was hardly a challenge for S-DARS; however, producing the appropriate receiving terminal proved to be more time consuming than the original business plans considered.
– Sanyo WorldSpace receiver.
106
Data Communications and the Internet
• The total end-to-end latency for data transfer results from several components: access lines, equipment processing, uplink and downlink propagation, and data processing in servers.
ING. OSCAR SOMARRIBA 107
Agenda
• Antenas de Estaciones Terrenas
• Amplificadores de Potencia
• Amplificadores de bajo Ruido
• Convertidores Ascendentes
• Convertidores Descendentes
•Moduladores y Demoduladores
Monitoreo y Control
• Review
ING. OSCAR SOMARRIBA 108
Monitoreo y Control
• Excepto por la antena, en la E/T se necesita
usar redundancia (equipo “standby”) para: el
HPA, el LNA, y los Convertidores de subida y
de bajada.
• El proceso de detección de modos de fallas
críticas y la resolución de estos modos por
conmutación automática del equipo fallado al
redundante se conoce como monitoreo y
control (M&C).
ING. OSCAR SOMARRIBA 109
Monitoreo y Control (Cont.)
• Enfocando la parte o la terminal RF de la E/T
se tienen los siguientes componentes:
– Lógica de conmutación de los equipos redundante:
HPA, LNA, y Convertidores.
– Unidad de Adquisición de Datos (DAU).
– Unidad de Control de la antena (ACU).
• Las alarmas de fallas, indicación de status, y
otros valores son colectados en la DAU, la
cual pasa estos valores a la computadora de
M&C.
ING. OSCAR SOMARRIBA 110
Monitoreo y Control de la E/T
HPA, LNA
U/C, D/C
Terminal RF
Antena
Lógica
Unidad de
Control de la
Antena
DAU
RS-232, RS-422
IEEE-488
Sistema RF de M&C
M& C Remoto
Tráfico
Módem
Autoanswer
PSTN NCC
M&C
Computadora
Principal
de la E/T
M&C Remoto
Terminal
de
Monitoreo
ING. OSCAR SOMARRIBA 111
Review
Por favor complete el ejercicio.
1. Liste las cuatro mayores equipos del terminal RF de una Estación Terrena (E/T) de comunicaciones vía satélite:
A. ____________________________________
B. ____________________________________
C. ____________________________________
D. ____________________________________
2. ¿ Cuál es la PIRE de una E/T con una potencia alimentada a la antena transmisora PT de 10 W y una Ganancia de antena
transmisora, en la dirección del satélite GT de 40 dB?
3. ¿ Cuál es la pérdida de ganancia debido desapuntalamiento de la antena de 20 m a 14.5 GHz con un =0.02 ?
4. ¿Qué tipo de HPA son los más utilizadas en general por una red VSAT?
A. Klistrón
B. TWTA
C. SSPA
D. b y c
5. Considere el lado del transmisor de una E/T con los siguientes parametros P.I.R.E.=87.5 dBW, GT de 66.2 dB. El
subsistema de HPA emplea una configuración de redundancia 1+1semejante al mostrado en la lámina 64 donde la pérdida
del switch de guía de onda es de 0.2 dB; la pérdida interna de los HPA es de 0.8 dB; y el HPA se requiere operar a 3 dB
de su potencia de salida máxima. Encuentre la potencia de salida máxima de cada HPA, asumiendo un margen de P.I.R.E.
de 0.5 dBW y pérdidas del alimentador de 1 dB.
ING. OSCAR SOMARRIBA 112
Agenda
TECNICAS DE ACCESO:
FDMA & TDMA
SISTEMAS SATELITALES DIGITALES
REDES VSAT
ANÁLISIS DE ENLACES
COMPONENTES DE UN SISTEMA DE
COMUNICACIÓN POR SATÉLITE.
ESTACIONES TERRENAS.
ING. OSCAR SOMARRIBA 113
Agenda
Introducción
• Análisis de los enlaces por satélite
• Análisis de subida
• Análisis de bajada
• Análisis de intermodulación
• Análisis de Interferencia
• Review
ING. OSCAR SOMARRIBA 114
• El término enlace abarca todo el trayecto de
comunicaciones, desde la fuente de la información,
pasando por todos los pasos del proceso de
transmisión, por el Tx y el canal, hasta el Rx
inclusive, con todos sus pasos de procesamiento de la
señal, y terminando en el destino de las información.
• Un enlace de satélite se compone de 3 segmentos
principales:
La E/T transmisora y el enlace ascendente
El satélite
El enlace descendente y la E/T receptora
Introducción
ING. OSCAR SOMARRIBA 115
Introducción (Cont.)
• El análisis de los enlaces por satélite consiste
en cálculos y tabulaciones de la potencia útil y
la potencia de ruido interferente halladas en el
receptor.
• Para realizar el cómputo de enlace se puede
hacer uso de un Modelo de un sistema de
comunicación por satélite (Análisis de enlace
RF)
• Niveles de potencia / RF
ING. OSCAR SOMARRIBA 116
Agenda
• Introducción
Análisis de los enlaces por satélite
• Análisis de subida
• Análisis de bajada
• Análisis de intermodulación
• Análisis de Interferencia
• Review
ING. OSCAR SOMARRIBA 117
Análisis de un enlace básico
Receptor
Convertidor
descendente
TWTA
HPA
+
+ LNA
PIRES
G/ T n b (t)
n s (t)
s s (t)
G s / T s
PIRE = P T G T
s (t)
P T G T
)(ˆˆ tnts
ING. OSCAR SOMARRIBA 118
Concepto básico de un enlace
Densidad de flujo
(W / m2 )
Pt (W)
Antena Receptora
Señal
Pt (W)
Potencia radiada (W)
Antena transmisora
Densidad de flujo
(W / m2 )
Antena receptora
Enlace de Subida Enlace de Bajada
Densidad de Flujo F
=(PT / 4 R ²)GT
ING. OSCAR SOMARRIBA 119
Densidad de Flujo en el punto del
Receptor
• Potencia recibida en el área A= F* A
• La F en escala logarítmica:
– F dBW/m² = PIREdBW -20 log R-10 log (4*106)
• Una antena receptora ´recoge´ la señal y esta
cantidad depende del tamaño de dicha antena:
PR = F* Ae (Watios) donde
Ae= Apertura efectiva de la antena
RXGAe /)4/( 2
Ejemplo 2
• FSL (A0) en dB = 37.80+20log(Dnm)+
+20*log F en MHz
• Donde D = distancia o rango en millas
náuticas (nm). 1 Milla náutica es 1852 km.
• Problema: El ángulo de elevación de un GEO
es 21° y la frecuencia de Tx es 3.941 GHz
¿Cuál es la pérdida de espacio libre (FSL, por
sus siglas en ingles) en dB si Dnm=21,201
nm?
ING. OSCAR SOMARRIBA 120
Resolución Problema 2
• Aplicando: FSL (A0) en dB =
37.80+20*log(Dnm)+ +20*log F en MHz
• Obtenemos:
– LFSL (dB)= 37.80 + 20*log(21,201) nm +
20*log 3941 MHz
– LFSL = 196.24 dB
ING. OSCAR SOMARRIBA 121
Problema 3
• ¿Cuál es la PIRE de la E/T requerida para
saturar un HPA basado en TWT de un
transponder de un satélite si este requiere de
una densidad de flujo de potencia de -88
dBW /m2 para la saturación del TWT? Asuma
que la distancia al satélite es 37,007 km, y que
1 dB es asignado para pérdidas (atenuación)
por gases atmosféricos.
• As= El área de La superficie de una esfera
• As= 4*pi*Rs2 donde Rs es la distancia al
satélite desde el emisor o transmisor. ING. OSCAR SOMARRIBA 122
Resolución Problema 3
• As= 4*pi* (37,007)* 37,007 * 106
• As= 1,72098 * 1016
La formula es S(dBW/m*m)= PIRE (dBW)-
10log (As)- LA (pérdidas por absorción de los
gases atmosféricos)
y la PIRE = 162.36-88-1 = +73.36 dBW
ING. OSCAR SOMARRIBA 123
ING. OSCAR SOMARRIBA 124
Ganancias de potencia
2
max
DGAntena transmisora de la estación terrena
Amplificador de potencia de la estación terrena P = Dato del proveedor
contornosD
G
2
max
Antena receptora del satélite
Amplificador de bajo ruido del satélite P = Dato del fabricante
Amplificador de potencia (transpondedor) P = Dato del fabricante
contornosD
Gmax
2
Antena transmisora del satélite
Antena receptora de la estación terrena
2
DGmax
Amplificador de potencia de la estación terrena P = Dato del proveedor
Ejemplos de contornos
ING. OSCAR SOMARRIBA 125
Mas Contornos
ING. OSCAR SOMARRIBA 126
ING. OSCAR SOMARRIBA 127
Pérdidas de potencia
2.4
DistL
Pérdidas naturales por la distancia y propagación
en el “espacio libre”
Atenuación producida por los gases de la atmósfera Gráfica de LA (f)
Atenuación por lluvia: C, Ku
Conexiones 1 dB
Desalineación de antenas
dB
DL3
12
Ganancias - Pérdidas = Potencia total de recepción
= P total recepción
Contornos y nomograma
Atenuación producida por los
gases de la atmósfera
ING. OSCAR SOMARRIBA 128
Fuente: Comunicaciones satelitales de la UPM
ING. OSCAR SOMARRIBA 129
Pérdida de potencia por
propagación en el espacio libre
PT
Distancia R
Gt GR
PR
Densidad de flujo = F (W / m2 )
Area “efectiva”
de la antena receptora
Aef (m2 )=(eficiencia de recepción) * Area real
PR = Potencia total recibida = FA ef (W) = (P T G T)
22 44 R
APIRE
R
Afefe
Fracción capturada del PIRE
El área efectiva A e f es función de la ganancia G R :
1;4
4 2
22
22
aigualfuesesiaperturalaedrealáreaDD
G R
2
2
2
4
4
41
RL
L
GGPP
GAAGPero
RTTR
RefR ef
ING. OSCAR SOMARRIBA 130
Atenuación L en función de las
coordenadas geográficas del satélite
y de la estación terrena
R R o
R o = altitud del satélite sobre el nivel del mar, en el plano ecuatorial = 35,786 km
R = distancia de la estación terrena al satélite
l = latitud de la estación terrena ; e = longitud de la estación terrena
s- e = longitud relativa entre la estación terrena y el satélite
Partiendo de L
)cos(cos142.01
44
2
222
esl
o
o
oo
R
R
R
RRR
GHzadBdeordendelesR
ydBadeR
R o
o
62004
3.10356.11
22
ING. OSCAR SOMARRIBA 131
EJERCICIO
E/T
LATITUD O
POSICIÓN DE LA ESTACIÓN :
LATITUD 12 , LONGITUD 86
DATOS DE SATÉLITE:
SATELITE: Solidaridad 1
LONGITUD: 109.2
BANDA DE OPERACIÓN: Ku
Antena Receptora
Señal
100 W
D = 4m, = 0.6
G = 42 dB en la
dirección de la E/T
ENCONTRAR:
PIRE de la E/T, la Atenuación L
del trayecto, y la potencia recibida
por el satélite
Frecuencia: 14 GHz
L
Satélite
ING. OSCAR SOMARRIBA 132
Pérdidas adicionales
Atenuación por lluvia L lluvia
Atenuación por gases
de la atmósfera L ATM
Tx Rx
PT PR
LTX LRX
LTX = pérdidas en el alimentador, conexiones, etc.
del transmisor aprox. 1 dB
LRX = pérdidas en el alimentador, conexiones, etc.
del receptor aprox. 1 dB
Pérdidas por des-alineación o mal
apuntamiento de las antenas, LD
aprox. 3 dB máx.
dBL
dBL
dB
RRxD
dB
TTxD
2
3
2
3
12
12
ADEMÁS DE PÉRDIDAS POR
DESACOPLAMIENTO DE
POLARIZACIÓN Lp
ING. OSCAR SOMARRIBA 133
ING. OSCAR SOMARRIBA 134
Cálculo del atenuación por lluvia
(Nomograma)
ING. OSCAR SOMARRIBA 135
Atenuación por lluvia, L lluvia
Distancia equivalente
L lluvia = ()(Distancia equivalente a través de la lluvia)
= Atenuación específica (dB/km)
- depende de la intensidad de la lluvia y
de la frecuencia de la transmisión
- La distancia equivalente depende del ángulo
de elevación; normalmente varía entre 5 y 10 km
AL DISEÑO DE UN ENLACE SE LE DEBE DAR MARGEN DE LLUVIA
Para la polarización circular es igual a
la media aritmética de los valores
calculados para polarización horizontal y
vertical en el nomograma
136
Ejercicio
6 km
E = 60°
Nube
Frecuencia de transmisión 1 = 6 GHz
Frecuencia de transmisión 2= 14 GHz
Polarización vertical
Calcule la atenuación mínima por
lluvia que ocurre durante 0.01 %
del tiempo en un año promedio
Ver el Ejemplo 2 del capítulo 9 del libro de Freeman,
página páginas 481-482
ING. OSCAR SOMARRIBA 137
Ejemplo: Niveles de potencia con valores
típicos Banda C
Señal de
salida 1 mW
Condiciones de cielo despejado
+60dB
+24 dB + 106 dB +24 dB
nivel de megawatts
efectivos +50dB
HPA Señal de
entrada
1 mW
+42dB
nivel de picowatts
+50 dB +40 dB
demodulador LNA
ING. OSCAR SOMARRIBA 138
Ruido y temperatura de ruido
Ruido interno, generado por la electrónica del receptor
dBKuT
TF
KCk
P
kB
NT
kTBN
amb
noeq
,1
,
.
.
Ruido por atenuación en conexiones .. 1 ambeq TpérdidaT
Ruido captado por la antena del satélite Ver caso 1.
Ruido captado por la antena de la estación terrena Ver caso 2.
Cálculo (referido a la entrada)
RxoTx
totaleq destinodereceptordelentradalaaT .
FIGURA DE MÉRITO =
totaleq
receptoraantena
T
G
.
Ruido y temperatura de ruido
• En otros sistemas el ruido en el Rx fue caracterizado
por la figura de ruido expresada en dB. Ahora,
nosotros trabajamos (comunicaciones satelitales)
frecuentemente con temperatura de ruido del sistema
menos que 290 K, entonces este valor convencional
base o de referencia de la temperatura de ruido de
ambiente no es muy conveniente.
• Por lo tanto, la Figura de ruido no es útil con niveles
de ruido tan bajos.
• En vez, se ha vuelto común el uso de la temperatura
equivalente de ruido Te.
ING. OSCAR SOMARRIBA 139
ING. OSCAR SOMARRIBA 140
Figuras de Méritos
SOLIDARIDAD
BANDA “C”
BANDA “Ku”
BANDA “L”
+2.5 (36 MHz)
+2.0 (72 MHz)
+2.5 (54 MHz)
-1.0 (34 MHz)
INTELSAT VII
-11.6 Cobertura Global
- 8.5 Cobertura Hemisférica
- 5.5 Cobertura Zonal
+4.8 East spot
+2.5 West spot
ING. OSCAR SOMARRIBA 141
Ruido
Ruido es toda señal eléctrica indeseable, que contribuye con energía en el receptor
y distorsiona la señal deseada (información).
Ruido interno: Es el ruido generado en la electrónica del receptor
Ruido externo:
Debido a radiaciones de cuerpos en el campo de vista de la antena receptora :
A) Antena del satélite: la Tierra
B) antena de la estación terrena: gases atmosféricos, lluvia, fuentes galácticas
y cósmicas, el Sol, y la Tierra ( para ángulos de elevación pequeños).
Interferencias de otros transmisores (satélites o microondas terrestres)
Una vez que la señal deseada y el ruido se han combinado, no pueden separarse,
y cualquier amplificador amplifica a ambos.
El ruido, y no la ganancia del amplificador, limita la calidad del sistema
ING. OSCAR SOMARRIBA 142
Densidad espectral de potencia
del ruido
Pno
No (f) W/Hz
B (ancho de banda del receptor)
No es la potencia de ruido por cada unidad de ancho de banda.
Si se considera constante a No. Entonces No es ruido blanco
Si en el ancho de banda B hay una potencia total de ruido N(Watts), entonces:
)(
)()/(
HzB
WNHzWNo
f (Hz)
ING. OSCAR SOMARRIBA 143
Temperatura de ruido
La temperatura de ruido de una fuente que genera ruido es la temperatura
a la que un elemento pasivo de referencia ( por ejemplo, una resistencia)
debería estar para generar la misma cantidad de ruido que la fuente de rui-
do.
N N = ruido térmico = kTB
temperatura física
T
Fuente de ruido
Su temperatura física
no es necesariamente T
N = potencia del ruido térmico (W)
k = constante de Boltzmann = 1.38 x 10 -23
T = temperatura absoluta (°K)
B = ancho de banda (Hz)
k
N
Bk
NT
fuentelade
ruidodeaTemperatur
o
T en °K = T en °C + 273°
ING. OSCAR SOMARRIBA 144
Temperatura efectiva de ruido a
la entrada de un sistema
N = (kTeB)G
- no genera ruido interno
- genera ganancia G
- ruido de
entrada
- T física = T e
sistema
equivalente
ficticio
sistema
real N = (kTeB)G
- genera ruido interno
- genera ganancia G
- cero ruido
de entrada
- T = 0°
T e = Temperatura efectiva a la entrada
= 290 °k
To = Temperatura ambiente de referencia
o
e
T
TF
ruidodeFigura
1
F (dB) = 10 log F
ING. OSCAR SOMARRIBA 145
Temperatura efectiva de ruido a la
entrada de un atenuador
Todo proceso de atenuación que involucre absorción de energía está
asociado con la generación de ruido térmico por el medio absorbente
Atenuador
(línea de transmisión,
guía de onda,
alimentador, etc.)
Temperatura física = T l
pérdida = L El ruido a la
salida está atenuado por L
Te
T e = (L-1)Tl Temperatura
efectiva a la entrada
A la salida del atenuador:
LTT
L
TLT ls
ls
11
)1(
Problema 4
• Si la Figura de Ruido de un atenuador es 1.1
dB, ¿Cuál es la Temperatura equivalente de
ruido?
ING. OSCAR SOMARRIBA 146
Resolución 4
• Fórmula NF (dB) =10*log(1+(Te/290))
• 1.1 dB = 10*log(1+ Te/290)
• 1+ (Te/290) = 1.29
• Te = 84.1 K
ING. OSCAR SOMARRIBA 147
ING. OSCAR SOMARRIBA 148
Temperatura efectiva de ruido a la
entrada de una antena y del receptor
alimentador receptor
T L , L
T
T R, G
T A = 290 °K
RLA T
LT
L
TT
11
temperaturas referidas a la
entrada del receptor
Si el haz de la antena es muy ancho,
se deben añadir aproximadamente 5 °K a
T a , como contribución de la radiación
galáctica alrededor de la Tierra
Tierra
(cuerpo negro a 290 °K)
Caso 1 : antena y receptor de un satélite:
ING. OSCAR SOMARRIBA 149
Caso 2: antena y receptor de una estación terrena
Atenuador (L lluvia, T lluvia)
ruido ( Ttierra )
TA
ruido ( T cielo ) TA = Tcielo + T Tierra Con cielo despejado
Tierra
lluvia
lluvia
lluvia
cieloA T
LT
L
TT
11
La contribución de la Tierra a la temperatura de ruido de la antena depende
del tipo de antena (montaje, diámetro, etc), del ángulo de elevación, de los
lóbulos secundarios del patrón de radiación, y de la frecuencia de operación.
Valores prácticos para T Tierra : aprox. 10 °K Cassegrain grande, 100°K antena
pequeña.
Temperatura efectiva de ruido a la
entrada de una antena y del receptor
ING. OSCAR SOMARRIBA 150
La contribución de la lluvia a la temperatura de ruido de la antena depende de
la atenuación L lluvia que se calcule y de su temperatura media efectiva T lluvia
Temperatura efectiva de ruido a la
entrada de una antena y del receptor
T lluvia 1.12 T ambiente (°K) - 50° K
T ambiente es la temperatura ambiente en donde esté la estación terrena
Una vez calculada T A , la fórmula del caso 1 se aplica para referir la temperatura
total a la entrada del receptor de la estación terrena.
Calculo de la C/N0
• En el libro de Freeman se presentan dos
métodos ver páginas 321-322.
• En el primero C/No es una medida a la entrada
del 1er etapa activa de sistema receptor. En
estos sistema este es el LNA (“Low-Noise
Amplifier”) u otro dispositivo llevando a cabo
una función similar. Ver figura 6.6 del libro.
• No=kT y C/No= C/kT
• También usamos en dB,
• No= -228.6 dBW/Hz + 10*log Tsys
• Usualmente Tsys= Tantena + T rx
ING. OSCAR SOMARRIBA 151
ING. OSCAR SOMARRIBA 152
Calculo de la C/N0 (1)
• En el libro de Freeman se presentan el 2do método,
ver páginas 3223-326.
• En el segundo método de calcular C/No involucra
G/T.
• G/T es llamada la Figura de Mérito del sistema de Rx
satelital.
• G/T= G (dB)- 10 *log(Tsys)
• Tsys= Tantena+ Tr
• Tantena= Temperatura de ruido de la antena
• Tr= Receiver noise que incluye el ruido de todos los
contribuyentes desde el plano de referencia a la salida
en banda base del d modulador.
ING. OSCAR SOMARRIBA 152
Problema 5
• Dado que la Te de un sistema es 84.1 K, ¿Cuál
es la densidad espectral de ruido No?
ING. OSCAR SOMARRIBA 153
Solución 5
• N0= -228.6 dBW/Hz + 10*log(84.1)
• N0 = -228.6 +19.25
• N0 = -209.35 Dbw/Hz
ING. OSCAR SOMARRIBA 154
Problema 6
• La IRL (Isotropric Receive Level) desde un
satélite es –55 dBW; el sistema de recepción
de la E/T (Estación Terrestre) tiene una
ganancia de antena de 47 dB, y una pérdida de
alimentador de 0.1 dB, una pérdida de guía de
onda de 1.5 dB, una pérdida de inserción por
acoplador direccional de 0.2 dB, y una pérdida
por filtro pasa banda de 0.3 dB; la temperatura
de ruido del sistema (Tsys) es 117 K. ¿Cuál es
la C/N0?
ING. OSCAR SOMARRIBA 155
Resolución del Problema 6
• Considerando el downlink IRL como sigue:
• IRL(dBW)= PIREs(dBW)+ FSL (dB)
• Considerando C (RSL):
• C= -155 dBW-47 dB-0.1 dB-1.5 dB-0.2 dB-
0.3 = -110.1 dBW
• Calculando N0= -228.6 dBW/Hz+10log 117 K
N0 = -207.92 dBW/Hz
Así C/ N0 = -110.1 dBW- (-207.92 dBW)= 97.82 dB.
En este ejemplo, C/ N0= C en dBW- N0 (dBW)
ING. OSCAR SOMARRIBA 156
Problema 7
• Asuma un E/T con una antena con un ángulo de
elevación de 10°, clear sky, con una concentración
de vapor de agua del 3 g/m3, y las siguientes pérdidas
óhmicas: guía de onda pérdidas de 2 dB, pérdidas en
el alimentador 0.1 dB, pérdidas de inserción del
acoplador direccional (para hacer mediciones) de 0.2
dB, pérdidas de inserción de un filtro pasa banda de
0.4 dB. Estas pérdidas son referidas al plano de
entrada, lo cual es tomado como la entrada del LNA
(Ver figura en la slide siguiente) ¿Cuál es la
temperatura de ruido de la antena Tantena? La frec.
de operación es 12 GHz.
ING. OSCAR SOMARRIBA 157
ING. OSCAR SOMARRIBA 158
El mismo problema 7 consolidado
Asuma una estación terrena con una antena a un ángulo de elevación de 10°, el cielo
despejado, 3 g/m3 de concentración de vapor de agua. Las pérdidas ohmicas como sigue:
guías de onda de 2 dB, pérdidas del alimentador 0.1 dB, pérdidas por inserción del acoplador
direccional de 0.2 dB, y una pérdida de inserción del filtro pasa-banda de 0.4dB. Estas son las
pérdidas sobre el plano de referencia, las cuales son tomadas como entradas al LNA. ¿ Cuál
es la temperatura de ruido de la antena Tant?. La frecuencia de operación es de 12 GHz.
LNA
Filtro PB
Acoplador
direccional
pérdida = 0.2 dB
Pérdidas W/G
Tant 2.0 dB
Pérdidas del
alimentador = 0.1 dB
Plano de referencia
T r
Pérdidas Filtro
0.4 dB
Resolución del Problema 7
ING. OSCAR SOMARRIBA 159
Resolución del Problema 7 (1)
ING. OSCAR SOMARRIBA 160
Resolución del Problema 7 (2)
• Determinar de la figura 6.7 el ruido de cielo
para un ángulo de elevación de 10° y una
frecuencia de 12 GHz, obtenemos el valor 19
K.
• La suma óhmica de las pérdidas en el plano de
referencia es Laa = 0.1 dB+ 2 dB+0.2 dB+0.4
dB =2.7 dB entonce laa= log-1(2.7/10)= 1.86
• Por lo que usando la ecuación 6.28 del libro
obtenemos, Tantena= ((1.86-1)290)+19/1.86=
114.3 K
ING. OSCAR SOMARRIBA 161
ING. OSCAR SOMARRIBA 162
RELACION PORTADORA A RUIDO
• Uno de los parámetros para medir la calidad
de un enlace es la relación entre la potencia de
la portadora recibida y la potencia de ruido
total del receptor (C/N)
n
.
P Ncon BkT
P
N
C
totalequ
recibidatotal
)( . LBkT
GPIRE
N
C
totalequ
Rs
ING. OSCAR SOMARRIBA 163
Relación C/N
Demodulador
LNA
C/N
• S/N (Sistema analógico)
•BER (Sistema Digital )
Para Calcular C/N , el enlace se divide en tres secciones:
• Enlace de Subida
• Transpondedor (ruido de Intermodulación)
• Enlace de Bajada
ING. OSCAR SOMARRIBA 164
Relación Portadora sobre Ruido
(C/No)s (C/No)b
(C/No)i
La información puede ser cualquier tipo de señal,
y su modulación y ancho de banda pueden variar
según cada caso específico
En el enlace de subida, a la portadora P se le añadirá ruido y habrá un cociente (C/No)s
En el enlace de bajada, a la portadora P se le añadirá ruido y habrá un cociente (C/No)b
Posiblemente, en el satélite, a la portadora P también se le añadirá ruido de intermodulación,
y habrá un cociente (C/No)i
Tomando todas las contribuciones de ruido:
Cálculo del C/N0 usando la técnica
del Link Budget
• C/N0= PIRE- FSL (dB)- otras pérdidas- G/TdB/K - k
• Otras pérdidas puede incluir:
– pérdidas por Polarización
– Pérdidas de apuntalamiento
– Pérdidas de contornos
– LA, Pérdidas por absorción de gases
– Atenuación en exceso debido a lluvia (si aplica)
ING. OSCAR SOMARRIBA 165
Ejemplo 1 de Link budget (A)
• Tenemos un D/L (downlink) en 4 GHz,
sistema FDM/FM, con una ángulo de
elevación de 5°. La PIRE del satélite es +30
dBW. Las FSL son 196.78 dB. La G/T del
equipo terminal es + 20 dB/K. Calcular C/N0.
• Ver página 333 del libro de Freeman.
ING. OSCAR SOMARRIBA 166
Ejemplo 1 de Link budget (B)
ING. OSCAR SOMARRIBA 167
Ejemplo 2 de Link budget (A)
• Calcular la G/T requerida, donde la frecuencia
del U/L (uplink) es 6 GHz y la PIRE de la
terminal es + 70 dBW, y el ángulo de
elevación de la terminal es 5 grados. La C/ N0
en el satélite es 102.16 dB (típico de un enalce
en el U/L para video). La FSL es 200.3dB.
Favor denote la Figura de Mérito (G/T) por la
variable X.
ING. OSCAR SOMARRIBA 168
Ejemplo 2 de Link budget (B)
(Véase página 334)
ING. OSCAR SOMARRIBA 169
Ejemplo 2 de link budget (C)
• Este valor de G/T (+6.86 dB/K) se obtiene cuando
sustituimos X, derivaremos un valor de C/N0 de
102.16 dB.
• Por otra parte no es buena idea trabajar sin margen
para compensar degradaciones del enlace así como
errores en la estimación del link budget. Si sumamos
un margen de 4 dB entonces la G/T requerida sería de
+10.86 dB/K.
• Otra alternativa al margen es aumentar la potencia de
transmisión (Aumentando) la PIRE, y también
aumentando el tamaño del antena.
ING. OSCAR SOMARRIBA 170
ING. OSCAR SOMARRIBA 171
Relación Portadora sobre Ruido Total
1111 )()()()( i
o
b
o
s
oo N
C
N
C
N
C
N
C
dBHz log10/ KTGLPIREN
C
Con
o
ING. OSCAR SOMARRIBA 172
Relación Portadora sobre Ruido Total
(INTELSAT)
1111 )()()()( ibsT T
C
T
C
T
C
T
C
KdB/ /)/( TGLPIRETC
Con
Ejemplo de Cálculo la C/No del
Sistema (A) página 335
ING. OSCAR SOMARRIBA 173
111 )()()( d
o
u
oo N
C
N
C
N
C
OR
Ejemplo de Cálculo la C/No del
Sistema (B) página 335
• Considerar un sistema “bent-pipe satellite”
donde la C/N0 en U/L = 105 dB y para el D/L
C/N0= 95 dB. ¿Cuál es la C/N0 ? Convertir
cada valor de C/N0 a su valor a equivalente
numèrico:
• log-1 (105/10)= 3.16 * 1010
• log-1 (95/10)= 3.16 * 1010
• Invirtiendo cada valor y sumando. Invirtiendo
este valor y tomando 10log
• (C/No)s = 94.6 dB/Hz
ING. OSCAR SOMARRIBA 174
ING. OSCAR SOMARRIBA 175
Agenda
• Introducción
• Análisis de los enlaces por satélite
Análisis de subida
• Análisis de bajada
• Análisis de intermodulación
• Análisis de Interferencia
• Review
ING. OSCAR SOMARRIBA 176
Enlace de subida (C/No)s
G Rx
L alim
T, (C/No)s Portadora + ruido
Pérdidas de propagación
y absorción atmosférica L
alimentador
P T
P TX
G TX
Potencia recibida satéliteAlim
RXTXTX
L
G
L
GPP
*
kT
G
LLGPNC RX
alim
TXTXso
111FIGURA DE MÉRITO :
No= kT
ING. OSCAR SOMARRIBA 177
Enlace de subida (C/Ts)
Gs
L alim
(C/Ts) Portadora + ruido
alimentador
P HPA
P T
G T
dB/K arg/ ascendsatelssTXs enmTGLPIRETC FIGURA DE MÉRITO:
dBFeeder PérdidasGPIREP TTXHPA
ING. OSCAR SOMARRIBA 178
Agenda
• Introducción
• Análisis de los enlaces por satélite
• Análisis de subida
Análisis de bajada
• Análisis de intermodulación
• Análisis de Interferencia
• Review
ING. OSCAR SOMARRIBA 179
Potencia recibida terrenaestaciónAlim
RXTXTX
L
G
L
GPP
*
Portadora
Pérdidas de propagación
y absorción atmosférica L
P HPA
P TX
G TX
L alim
L alim
G Rx
Portadora
+ ruido
(C/No)b
kT
G
LLGP RX
alim
TXTX
111
Enlace de bajada (C/No)b
T, (C/No)b
LNA
ING. OSCAR SOMARRIBA 180
Portadora
Pérdidas de propagación
y absorción atmosférica
L
P TX
G TX
L alim
L alim
Gb
Portadora
+ ruido
C/Tb edescendentbFunc enmTGLPIRE arg/
Enlace de bajada (C/Tb)
Tb , (C/Tb)
LNA
XIBOPIREPIRE saturaciónFunc
IBO = Back-off de entrada del HPA =
PIRE de saturación / PIRE de operación
HPA
X = relación de ganancia
de compensación entre
IBO y OBO
enmPIREPIRE satéliteFunc arg
margen = márgenes por lluvia y desalineamiento
ING. OSCAR SOMARRIBA 181
Agenda
• Introducción
• Análisis de los enlaces por satélite
• Análisis de subida
• Análisis de bajada
Análisis de intermodulación
• Análisis de Interferencia
• Review
ING. OSCAR SOMARRIBA 182
Análisis de intermodulación: (C/No)i
• Un amplificador de potencia (HPA) tiene una
característica no lineal.
• La no linealidad del HPA genera productos de
intermodulación (ruido) además de amplificar
a la señal original.
• Vamos a considerar dos componentes:
– Ruido de intermodulación en el HPA del satélite
– Ruido de intermodulación en el HPA de la E/T
ING. OSCAR SOMARRIBA 183
Análisis de intermodulación: C/Ti
6.2284log10/ KHzIMPIRETC SATFuncSATIM
en dB/ ºK, donde
IMSAT = Intermodulación producida en el transpondedor
(por ejemplo valor dado por INTELSAT )
Ruido de intermodulación en el HPA del satélite:
PIREFUNC = PIRE de funcionamiento de la portadora
Ruido de intermodulación en el HPA de la Estación Terrena:
Este valor sólo se considera para el caso si la reducción de potencia del HPA
en de 7 dB funcionando con múltiples portadoras. (Sistema INTELSAT). Entonces,
lo podemos NO considerar por el momento .
ING. OSCAR SOMARRIBA 184
Ejercicio
25 dB
30 dB
Alim.
L = 1dB
T=1000°K
LNA
HPA
10 W
Alim.
L = 1dB
L = (198 + 2) dB
L = (197 +1)dB
L=0.5dB
T=130°K
LNA
L=0.5dB
16 dBW
Calcule (C/No) s y (C/No)b
Suponga que (C/No)i = 87 dBHz y calcule la relación total portadora
sobre densidad de ruido a la antena del LNA de la estación terrena receptora
Suponga que la señal recibida ocupa 10 MHz de ancho de banda.
Calcule su potencia total a la entrada del LNA.
G= 52 dB
G= 50 dB
HPA
ING. OSCAR SOMARRIBA 185
Agenda
• Introducción
• Análisis de los enlaces por satélite
• Análisis de subida
• Análisis de bajada
• Análisis de intermodulación
Análisis de Interferencia
• Review
ING. OSCAR SOMARRIBA 186
Análisis de Interferencia
• Este tipo de contaminación para una portadora
puede incluir, entre otras:
– Interferencia para o desde un Sistema de satélite
adyacente.
– Interferencia Terrestre.
– Interferencia por Polarización Cruzada.
– Interferencia por canal Adyacente.
ING. OSCAR SOMARRIBA 187
RESUMEN
• Un cómputo simple de enlace se compone de
tres ecuaciones básicas:
– PIRE = 10 log Pt+Gt (dBW)
– C/T = PIRE -L+ Gr/T (dBW/K)
– C/T = Relación portadora/ruido térmico
– C/No = C/KT+228,6 (dBHz)
– C/No = Relación portadora/densidad de ruido
– C/To = C/Ico+10 log (Ancho de banda)- 228.6
– Interferencia cocanal en los satélites
ING. OSCAR SOMARRIBA 188
Review
Por favor complete el ejercicio.
1. Enumere las principales cinco figuras de mérito importantes de considerar en los cálculos de enlaces vía satélite:
A. ____________________________________
B. ____________________________________
C. ____________________________________
D. ____________________________________
E. ____________________________________
2. A continuación se plantean los parámetros de las portadoras de las estaciones terrenas y los parámetros del satélite
(INTELSAT VII) que se utilizarán en el ejercicio. Ver lámina 136. La estación maestra esta Managua (D =11 m, de Tx =
0.71, de Rx = 0.66 ) y para las estaciones remotas en otras lugares del país (D = 3.7 m, de Tx = 0.58, de Rx = 0.72 ).
Ganancias de Tx: 55.6 dB (E/T maestra) y 45.3 dB (E/T remotas). Ganancias de Rx: 51.8 dB (E/T maestra) y 42 dB (E/T
remotas). Las coordenadas geográficas de Managua: Latitud 12.06 °, Longitud: 86.19 °.
Las coordenadas geográficas de Puerto Cabezas: Latitud 14.01 °, Longitud: 83.23 °.
TA= 30 K (E/T master) y TA= 28 K (E/T remota). TE= 45 K (E/T master) y TE= 45 K (E/T remota). Pérdidas del
Alimentador: 3 dB.
Realice los siguientes cálculos:
A) Calcule para el enlace Managua-Puerto Cabezas (cielo despejado): Pérdidas de Espacio libre, PIRE de funcionamiento,
PIRE de la estación transmisora,PIRE del satélite, G/T, C/T total
B) Calcule para el enlace Managua-Puerto Cabezas (cielo degradado): Pérdidas de Espacio libre, PIRE de funcionamiento,
PIRE de la estación transmisora,PIRE del satélite, G/T, C/T total
ING. OSCAR SOMARRIBA 189
PARAMETROS del ejercicio 2
Parámetros del segmento espacial dado por INTELSAT:
PIRESAT de saturación del transpondedor 32.9 dBW
Ancho de Banda 36 MHz
Densidad de Flujo de saturación (DFS) -87 dBW/m²
G/TSAT del Sistema de Recepción -5.5 dB/K
PIRE del satélite (PIRESATEL) 10.3 dBW-273 kbps
6.5 dBW
7.3 dBW-136.5 kbps
3.5 dBW
Interferencia cocanal (C/Ico) 19.0 dB
Relación de compresión de ganancia del transpondedor 1.8 dB
PIRE de Intermodulación del transponder (IMSAT) -37 dBW/4kHz
Parámetros de la portadora a 256 kbps:
Relación FEC 3/4
Eb/No 10.7 dB
Ancho de banda ocupado 163.8 KHz
C/T punto de funcionamiento -163.5 dB/K
C/No punto de funcionamiento 65.0 dBHz
C/N punto de funcionamiento 12.85 dB
Frecuencia de funcionamiento 6.22 GHz / 3.995 GHz
Margen Ascendente y Descendente 0.4 dB
ING. OSCAR SOMARRIBA 190
Agenda
COMPONENTES DE UN SISTEMA DE
COMUNICACIÓN POR SATELITE
ESTACIONES TERRENAS
ANÁLISIS DE ENLACE VIA SATELITE
TECNICAS DE ACCESO:
FDMA
TDMA
SISTEMAS SATELITALES DIGITALES
REDES VSAT
TECNICA DE ACCESO
(Introducción)
• Acceso se refiere a la manera en el cual un
sistema de comunicación utiliza un transponder
de satélite. Existen tres técnicas de acceso:
• Frequency division multiple access (FDMA)
• Time division multiple access (TDMA)
• Code division multiple access (CDMA)
ING. OSCAR SOMARRIBA 191
TECNICAS DE ACCESO
FDMA
ING. OSCAR SOMARRIBA 192
ING. OSCAR SOMARRIBA 193
Agenda
• SISTEMA DE ACCESO AL SATELITE
• FDM-FM-FDMA
• SCPC
• MCPC
• Productos de Intermodulación
• Relación C/Intermodulación + Ruido
Frequency-Division Multiplexing
• Alternative uses of channels in point-to-point
configuration
– 1200 voice-frequency (VF) voice channels
– One 50-Mbps data stream
– 16 channels of 1.544 Mbps each
– 400 channels of 64 kbps each
– 600 channels of 40 kbps each
– One analog video signal
– Six to nine digital video signals
Frequency-Division Multiple
Access
• Factors which limit the number of subchannels
provided within a satellite channel via FDMA
– Thermal noise
– Intermodulation noise
– Crosstalk
Forms of FDMA
• Fixed-assignment multiple access (FAMA)
– The assignment of capacity is distributed in a fixed
manner among multiple stations
– Demand may fluctuate
– Results in the significant underuse of capacity
• Demand-assignment multiple access
(DAMA)
– Capacity assignment is changed as needed to
respond optimally to demand changes among the
multiple stations
FAMA-FDMA
• FAMA – logical links between stations are
preassigned
• FAMA – multiple stations access the satellite
by using different frequency bands
• Uses considerable bandwidth
DAMA-FDMA
• Single channel per carrier (SCPC) – bandwidth divided into individual VF channels
– Attractive for remote areas with few user stations near each site
– Suffers from inefficiency of fixed assignment
• DAMA – set of subchannels in a channel is treated as a pool of available links
– For full-duplex between two earth stations, a pair of subchannels is dynamically assigned on demand
– Demand assignment performed in a distributed fashion by earth station using CSC
Reasons for Increasing Use of
TDM Techniques
• Cost of digital components continues to drop
• Advantages of digital components
– Use of error correction
• Increased efficiency of TDM
– Lack of intermodulation noise
FAMA-TDMA Operation
• Transmission in the form of repetitive sequence of frames
– Each frame is divided into a number of time slots
– Each slot is dedicated to a particular transmitter
• Earth stations take turns using uplink channel
– Sends data in assigned time slot
• Satellite repeats incoming transmissions
– Broadcast to all stations
• Stations must know which slot to use for transmission and which to use for reception
FAMA-TDMA Uplink
FAMA-TDMA Downlink
ING. OSCAR SOMARRIBA 203
SISTEMA FDM/ FM/ FDMA
f 1 f 2 f n Hacia tierra
f 1 f 2 f m
Banda de Guarda
Ancho de Banda
de la portadora
Ancho de Banda del
Transpondedor
ING. OSCAR SOMARRIBA 204
Modulación en Frecuencia
FM
Ruido
e Interferencia
s (t)
Filtro de frec.
intermedia Limitador Discriminador
x (t) y (t)
ING. OSCAR SOMARRIBA 205
Retraso de paquetes
s
L
RTT
FDMApFDMA
1
Para paquetes con longitud exponencialmente distribuida:
Para paquetes con longitud constante:
s
L
RL
R
TTFDMA
FDMA
pFDMA
2
2
Tp es el retraso de propagación del sat, aproximadamente .25 s.R FDMA es el bit rate de la portadora
(b/s). L la longitud de un paquete (bits), y es la relación promedio de generación de paquetes (s -1)
ING. OSCAR SOMARRIBA 206
Densidad espectral de ruido
B B
- f c f c
No/2
Sn (t)
Snc(f) = Sns(f)
No
- B/2 B/2 f
ING. OSCAR SOMARRIBA 207
Representación fasorial de
una señal de “narrow band” más
la señal de ruido
(t)- (t) (t) - (t)
x(t) r(t)
A
ING. OSCAR SOMARRIBA 208
Relación de señal a ruido
2
m
r
f
f
b
B
N
C
N
S
2
r
m
f
f
B
b
N
S
N
CConsecuentemente, la relación señal
a ruido de todos los canales es :
La potencia de ruido por canal: pWpN
S
10
90log 1
Relación de señal a ruido de un canal de teléfono:
Donde fm, es la máxima frecuencia de banda base.
B = 2 ( f + fm)
ING. OSCAR SOMARRIBA 209
FDM-FM-FDMA
• En los satélite analógicos, la modulación FM ha sido
utilizada para modular la portadora en sistema que
usan FDMA.
• Existen dos técnicas FDMA en operación hoy en día:
– Transmisión Multichannel-per-channel, aquí su
multiplexan varias señales SSB de teléfonos en BB
y se transmiten en una portadora modulada en FM
y emitida en RF al satélite (FDM-FM-FDMA)
– SCPC (Single Channel Per Carrier) transmite cada
canal telefónico con una portadora RF en el
transpondedor FDMA
ING. OSCAR SOMARRIBA 210
frecuencia
R R R C
EN
TR
AL
TE
LE
FO
NIC
A
F PAIS F
f
BB recibida
en el país F
F E D C B
BB de 60
canales
Banda Base
f B f A f C f E f D
R R
Satélite
A
R= Regreso
B
C
D
E
f f
F
CE
NT
RA
L
TE
LE
FO
NIC
A
Flujo de señales en
un sistema SCPC
ING. OSCAR SOMARRIBA 211
CT
CT
CT
CT
B
C
D
E
CE
NT
RA
L
TE
LE
FO
NIC
A
Mod.
Mod.
Mod.
f1
f2
fM
Demod.
Demod.
CE
NT
RA
L
TE
LE
FO
NIC
A
f2
fZ
fX
fY
SATELITE
Flujo de señales en un
sistema SCPC
ING. OSCAR SOMARRIBA 212
Potencia de ruido a la
salida, para un sistema SCPC
Si f es la desviación del tono de prueba: 2
2f
N
S
Entonces : 3
22
4
3
mo fN
fA
N
S
2
2
3
mm f
f
f
B
N
C
Donde: BN
AN
Co2
2
Es la relación portadora a ruido
mffB 2Y el ancho de banda de la portadora es:
ING. OSCAR SOMARRIBA 213
Canales múltiples por
portadora MCPC
Carrier MCPC
Señal de
entrada
Señal de
entrada
Señal de
entrada
Señal de
entrada
Mod. FEC
encoder
M
u
l
t
i
p
l
e
x
e
r
ING. OSCAR SOMARRIBA 214
Productos de Intermodulación
Modelo de amplificador
no lineal
Portadoras a la entrada Portadoras a la salida
Frecuencia
f1 f2
f1 f2 6f1-5f2 5f1-4f2 4f1-3f2 3f1-2f2
2f1-f2
6f2-5f1 5f2-4f1 4f2-3f1 3f2-2f1 2f2-f1
Generación de productos de
Intermodulación en un dispositivo
no lineal ( TWT del transponder del sat)
ING. OSCAR SOMARRIBA 215
Distribución del producto de
intermodulación de tercer orden
r
n 1 2 3 4 5 6 7 8
1
2
3
4
6
5
7
0
0 0
1 0 1
8
1 1 1 1
2 1 2 1 2
2 2 2 2 2 2
3 2 3 2 3 2 3
3 3 3 3 3 3 3 3
ING. OSCAR SOMARRIBA 216
r
n 1 2 3 4 5 6 7 8
1
2
3
4
6
5
7
0
0 0
0 1 0
8
1 2 2 1
2 4 4 4 2
4 6 7 7 6 4
6 9 10 11 10 9 6
9 12 14 15 15 14 12 9
Distribución del producto de
intermodulación de tercer orden
ING. OSCAR SOMARRIBA 217
Agenda
COMPONENTES DE UN SISTEMA DE
COMUNICACIÓN POR SATELITE
ESTACIONES TERRENAS
ANÁLISIS DE ENLACE VIA SATELITE
TECNICAS DE ACCESO:
FDMA
TDMA
REDES VSAT
TECNICAS DE ACCESO:
TDMA
ING. OSCAR SOMARRIBA 218
Acceso Múltiple por División en el
Tiempo = TDMA
ING. OSCAR SOMARRIBA 219
Agenda TDMA
INTRODUCCION A TDMA
• ESTRUCTURA DE LA TRAMA TDMA
• ESTRUCTURA DE LAS RAFAGAS TDMA
• EFICIENCIA DE LA TRAMA TDMA
• ESTRUCTURA DE SUPERTRAMA TDMA
• ADQUISICION DE TRAMA Y SINCRONIZACION
• DETERMINACION DE LA POSICION DEL
SATELITE
• PLAN DE TIEMPO DE LAS RAFAGAS
• CONTROL POR LA ESTACION MAESTRA
• TEMPORIZACION Y EQUIPOS TDMA
• REVIEW
ING. OSCAR SOMARRIBA 220
Acceso múltiple por división en el
tiempo TDMA
Uplink Downlink
ING. OSCAR SOMARRIBA 221
1 ciclo de tiempo
Tiempo
de guarda
Ráfaga
digital
1
2
3
4
5
ACCESO MÚLTIPLE POR DIVISIÓN EN EL TIEMPO
ING. OSCAR SOMARRIBA 222
Agenda TDMA
• INTRODUCCION A TDMA
ESTRUCTURA DE LA TRAMA TDMA
• ESTRUCTURA DE LAS RAFAGAS TDMA
• EFICIENCIA DE LA TRAMA TDMA
• ESTRUCTURA DE SUPERTRAMA TDMA
• ADQUISICION DE TRAMA Y SINCRONIZACION
• DETERMINACION DE LA POSICION DEL
SATELITE
• PLAN DE TIEMPO DE LAS RAFAGAS
• CONTROL POR LA ESTACION MAESTRA
• TEMPORIZACION Y EQUIPOS TDMA
• REVIEW
ING. OSCAR SOMARRIBA 223
Estructura de la trama TDMA
RB1 RB2 Traffic burst Traffic burst RB1
Tf
Trama TDMA
Ráfagas de tráfico
RB = Reference Burst = Ráfaga de Referencia
TB= Traffic Burst = Ráfaga de Tráfico
ING. OSCAR SOMARRIBA 224
Agenda TDMA
• INTRODUCCION A TDMA
• ESTRUCTURA DE LA TRAMA TDMA
ESTRUCTURA DE LAS RAFAGAS TDMA
• EFICIENCIA DE LA TRAMA TDMA
• ESTRUCTURA DE SUPERTRAMA TDMA
• ADQUISICION DE TRAMA Y SINCRONIZACION
• DETERMINACION DE LA POSICION DEL
SATELITE
• PLAN DE TIEMPO DE LAS RAFAGAS
• CONTROL POR LA ESTACION MAESTRA
• TEMPORIZACION Y EQUIPOS TDMA
• REVIEW
ING. OSCAR SOMARRIBA 225
Estructura de las Ráfagas TDMA
Canal de señalización
Transmit timming channel
Ráfaga de
Referencia
Management channel
Order wire channel
Unique word
Carrier and clock recovery
Preamble Signalling
Channel
Traffic
data
Ráfaga de
Tráfico
Information
subburst N
Information
subburst 2
Information
subburst 1
Service Channel
Order wire channel
Unique word
Carrier and clock recovery
ING. OSCAR SOMARRIBA 226
Detector de palabra única (UW)
+
+
+
Detector
de Umbral
1 2 N
1 2 N
Datos de
Entrada
Sumador
Modulo - 2
Primer bit de la secuencia UW
Bit (N-1)-énesimo de la secuencia UW
Bit N-ésimo de la secuencia UW
Preset
threshold
Pulso de
detección
de la UW
...
...
UW = Palabra única
ING. OSCAR SOMARRIBA 227
Agenda TDMA
• INTRODUCCION A TDMA
• ESTRUCTURA DE LA TRAMA TDMA
• ESTRUCTURA DE LAS RAFAGAS TDMA
EFICIENCIA DE LA TRAMA TDMA
• ESTRUCTURA DE SUPERTRAMA TDMA
• ADQUISICION DE TRAMA Y SINCRONIZACION
• DETERMINACION DE LA POSICION DEL
SATELITE
• PLAN DE TIEMPO DE LAS RAFAGAS
• CONTROL POR LA ESTACION MAESTRA
• TEMPORIZACION Y EQUIPOS TDMA
• REVIEW
ING. OSCAR SOMARRIBA 228
EFICIENCIA DE LA TRAMA
TDMA
• La eficiencia de la Trama TDMA depende del
porcentaje de la trama Tf asignada al tráfico de
datos. Tf es la longitud de la trama TDMA.
• La eficiencia de la Trama esta definida:
TDMA=1-(Tx/Tf)
donde Tx es la porción de overhead de la
trama, si existirán n ráfagas
n
i
ipgx TnTT0
,
Tg = Intervalo de guarda ; Tp,i = preámbulo de la ráfaga i
ING. OSCAR SOMARRIBA 229
Ejercicio
Considerar un sistema TDMA con una trama y ráfagas como se
muestra en las págs. 167 y 169, respectivamente. Calcular la
eficiencia de la trama basada en los siguientes parámetros:
1) Longitud de la trama TDMA: 15 ms.
2) Tasa de los bits de las ráfagas TDMA: 90 Mbps.
3) Cada una de las 10 estaciones transmite 2 TB de un total de 20 TB en
la trama + 2 RB.
4) La long. De la secuencia de portadora y reloj son 352 bits. La
Longitud de UW = 48 bits.
5) El Canal de order wire consume 510 bits
6) El Canal de manejo consume 256 bits
7) El canal de transmisión de temporización usa 320 bits.
8) El canal de servicio tiene 24 bits.
9) El tiempo de guarda se asume es de 64 bits.
R = 98.29 %
ING. OSCAR SOMARRIBA 230
Agenda TDMA
• INTRODUCCION A TDMA
• ESTRUCTURA DE LA TRAMA TDMA
• ESTRUCTURA DE LAS RAFAGAS TDMA
• EFICIENCIA DE LA TRAMA TDMA
ESTRUCTURA DE SUPERTRAMA TDMA
• ADQUISICION DE TRAMA Y SINCRONIZACION
• DETERMINACION DE LA POSICION DEL
SATELITE
• PLAN DE TIEMPO DE LAS RAFAGAS
• CONTROL POR LA ESTACION MAESTRA
• TEMPORIZACION Y EQUIPOS TDMA
• REVIEW
ING. OSCAR SOMARRIBA 231
Estructura de la Super-Trama
TDMA
Trama 1 Trama 2 Trama N
Super- trama
NTf
PARA PROVEER CONTROL Y COORDINACION, LA
ESTACION DE REFERENCIA TIENE QUE ENVIAR
INFORMACION A TODAS LAS ESTACIONES EN LA RED,
Y PARA ELLO SE UTILIZA LA SUPERTRAMA.
ING. OSCAR SOMARRIBA 232
SUPERTRAMA CON VARIABLES
ESTACIONES DE TRAFICO
Super -trama
RT = Ráfaga de Tráfico
SSB= Supertrama de Ráfaga Corta
RB1 RB2
RT
RT SSB1
Trama 1
RB1 RB2 RT RT SSB
N
Trama 2
RB1 RB1
ING. OSCAR SOMARRIBA 233
Estructura de ráfaga corta en una
supertrama de
Other ( demand assignment) Service channel
Unique word
Carrier and clock recovery
ING. OSCAR SOMARRIBA 234
Agenda TDMA
• INTRODUCCION A TDMA
• ESTRUCTURA DE LA TRAMA TDMA
• ESTRUCTURA DE LAS RAFAGAS TDMA
• EFICIENCIA DE LA TRAMA TDMA
• ESTRUCTURA DE SUPERTRAMA TDMA
ADQUISICION Y SINCRONIZACION DE TRAMA
• DETERMINACION DE LA POSICION DEL
SATELITE
• PLAN DE TIEMPO DE LAS RAFAGAS
• CONTROL POR LA ESTACION MAESTRA
• TEMPORIZACION Y EQUIPOS TDMA
• REVIEW
ING. OSCAR SOMARRIBA 235
Adquisición y Sincronización de
Trama
En un sistema TDMA, una E/T de tráfico debe
realizar las siguientes tareas:
– En el lado RX, la E/T debe ser capaz de recibir TB
direccionadas para ella, desde el satélite.
– En el lado Tx, la E/T debe ser capaz de transmitir
TB destinadas a otras estaciones de forma
periódica en cada trama de tal manera que las
ráfagas lleguen al transpondedor sin colisionar con
las ráfagas de las otras Estaciones terrenas de
tráfico.
ING. OSCAR SOMARRIBA 236
Transmisión de la sincronización
de ráfaga
Receive
burst
timing
Receive
burst
time
plan
Burst
synchronizer
Transmit
burst
timing
Transmit
burst
time
plan
Estación de referencia Estación de trafico
= error
ING. OSCAR SOMARRIBA 237
Retraso de transmisión de la trama.
TB
RB RB RB TB
RB RB RB
RB RB
Tf
(M + k)Tf
2dN
c
Tf
(M+k)Tf
DN+kTf
BN
to t1
Tiempo del
Satélite
Tiempo de la
estación de referencia
Tiempo de la
estación N DN
+kTf
BN Transmit burst timing
Transmit frame timing
Receive frame timing
DN = MTf-(2dN/c)
ING. OSCAR SOMARRIBA 238
Agenda TDMA
• INTRODUCCION A TDMA
• ESTRUCTURA DE LA TRAMA TDMA
• ESTRUCTURA DE LAS RAFAGAS TDMA
• EFICIENCIA DE LA TRAMA TDMA
• ESTRUCTURA DE SUPERTRAMA TDMA
• ADQUISICION DE TRAMA Y SINCRONIZACION
DETERMINACION DE LA POSICION DEL
SATELITE
• PLAN DE TIEMPO DE LAS RAFAGAS
• CONTROL POR LA ESTACION MAESTRA
• TEMPORIZACION Y EQUIPOS TDMA
• REVIEW
ING. OSCAR SOMARRIBA 239
Rango de una estación
RfR STFTRFTKTc
d *
2
KTf = el número entero de tramas
Donde:
RFT = receive frame timing
TFT* = transmit frame timing immediately preceding RFT
SR = suma de los retardos internos de propagación de los lados Tx y Rx
de la estación de referencia y el transpondedor del satélite.
dR denota el rango desde la estación de referencia R al satélite S
222 )()()( NsNsNsN ZZYYXXd
dN denota el rango desde la estación de tráfico N al satélite S
ING. OSCAR SOMARRIBA 240
Agenda TDMA
• INTRODUCCION A TDMA
• ESTRUCTURA DE LA TRAMA TDMA
• ESTRUCTURA DE LAS RAFAGAS TDMA
• EFICIENCIA DE LA TRAMA TDMA
• ESTRUCTURA DE SUPERTRAMA TDMA
• ADQUISICION Y SINCRONIZACION DE TRAMA
• DETERMINACION DE LA POSICION DEL SATELITE
PLAN DE TIEMPO DE LAS RAFAGAS
CONTROL POR LA ESTACION MAESTRA
• TEMPORIZACION Y EQUIPOS TDMA
• REVIEW
ING. OSCAR SOMARRIBA 241
Recieve
timing
Recieve
burst
time
plan
Transit
timing
Transmit
burst time
plan
DN
Transmit frame
delay decoder
Determinación de
la posición del sat.
Transmit frame
delay encoder
Transmit
timing
Clock
DN
Estación de
referencia R
Estación de
rango K Estación de
rango M
Estación de
tráfico N
Determinación de la posición del satélite
por la adquisición del tiempo de trama
ING. OSCAR SOMARRIBA 242
Corrección de la posición de la ráfaga
para la sincronización de la trama transmitida
Recieve
burst
timing
Recieve
burst
time
plan
Transit
timing
Transmit
burst time
plan
Transmit frame
delay decoder
Recieve burst
timing
Transmit frame
delay encoder
Reference
burst
Transmit
timing
Clock
DN
Estación de
referencia R
Estación de
tráfico N
Burst
synchronizer
DN
ING. OSCAR SOMARRIBA 243
Agenda TDMA
• INTRODUCCION A TDMA
• ESTRUCTURA DE LA TRAMA TDMA
• ESTRUCTURA DE LAS RAFAGAS TDMA
• EFICIENCIA DE LA TRAMA TDMA
• ESTRUCTURA DE SUPERTRAMA TDMA
• ADQUISICION Y SINCRONIZACION DE TRAMA
• DETERMINACION DE LA POSICION DEL SATELITE
• PLAN DE TIEMPO DE LAS RAFAGAS
• CONTROL POR LA ESTACION MAESTRA
TEMPORIZACION Y EQUIPOS TDMA
• REVIEW
ING. OSCAR SOMARRIBA 244
Período de la trama en el satélite
Tf + TR
c
TtdTt
fR
f
c
tdt R
t fTt
Tiempo de
satélite
Tiempo de
la estación
de referencia
ING. OSCAR SOMARRIBA 245
Interface TDMA
i fi
Switch
terrestre
Interface TDMA
i fi
Switch
terrestre
A B
Interconexión de los switches
terrestres a través de un enlace satelital
ING. OSCAR SOMARRIBA 246
Red digital terrestre conectada
a un enlace TDMA
Sistema
TDMA
Interfaces
Terrestres
Red digital
terrestre
Reloj TDMA
data data
Reloj terrestre
ING. OSCAR SOMARRIBA 247
Sistema
TDMA
Alineado de
trama y
buffers doppler
Red digital
terrestre
Sistema
TDMA
Alineado de
trama y
buffers doppler
Red digital
terrestre
Interfaces plesiosíncronas
ING. OSCAR SOMARRIBA 248
Interfaces asíncronos
Sistema
TDMA Red digital
terrestre
Stuffers
y buffers
Doppler
Destuffer
y buffers
Doppler
reloj reloj
Sistema
TDMA Red digital
terrestre
Stuffers
y buffers
Doppler
Destuffer
y buffers
Doppler
reloj reloj
data data
ING. OSCAR SOMARRIBA 249
Stuffing , Destuffing
Recuperación
del reloj
Buffer
elástico
Circuito de
decisión de stuff
Mul
ti
p
l
e
x
e
r
Rk
Ro
escribir
leer Control de
bits de stuff
Reloj de el
sistema TDMA
Buffer
elástico
Stuff
control bit
detector
Phased-
locked
loop
escribir leer
Reloj del
sistema TDMA
Ro Rk
DESTUFFING
STUFFING
ING. OSCAR SOMARRIBA 250
Sistema
TDMA Red digital
terrestre
buffers
Doppler
Reloj
TDMA
Reloj
TDMA
Sistema
TDMA Red digital
terrestre
buffers
Doppler
Reloj
TDMA
Reloj
TDMA
data data
Interfaces
terrestres
Interfaces
terrestres
Interfaces síncronas para
redes terrestres digitales
ING. OSCAR SOMARRIBA 251
Configuraciones de ocupación de
un transpondedor de 72
MHz con TDMA
Video
analógico
TDMA
1.5 Mb/s SCPC
con telefonía
analógica
Bandas de
guarda
75 MHz
Portadora
única TDMA
120 Mb / s
75 MHz
Ocupación completa Ocupación parcial
ING. OSCAR SOMARRIBA 252
Espectro del transpondedor
MCPC/FDMA
SCPC/FDMA
TDMA
ING. OSCAR SOMARRIBA 253
TDMA
Características:
- Ocupación total del ancho de banda
del transpondedor por una sola portadora
- Utilización del amplificador en estado
de saturación (satélite y estaciones terrenas)
Ventajas:
- Utilización de todo el ancho de banda
y de toda la potencia del transpondedor
Desventajas:
- Equipo de sincronización
complejo
- G/T grande de las estaciones
terrenas
ING. OSCAR SOMARRIBA 254
VSATs a Maestra
A B
C D
A B C D
A
B
C D
A B
C
D A B
C D
B
A
C
D
ING. OSCAR SOMARRIBA 255
Maestra a VSAT’s
A
B
C D
A
B C
D
A
B C
D
ING. OSCAR SOMARRIBA 256
TDMA de banda angosta en un
transpondedor de usos
múltiples
Video
TDMA
2.5 MHz
SCPC (voz)
30MHz
Ancho de banda del transpondedor
ING. OSCAR SOMARRIBA 257
Consideraciones de
ingeniería de sistemas
de acceso múltiple
ING. OSCAR SOMARRIBA 258
Factores
A) Capacidad
B) Potencia y ancho de banda
C) Interconectividad
D) Crecimiento
E) Servicios
F) Interface terrestre
G) Seguridad de comunicación
H) Costo- beneficio
ING. OSCAR SOMARRIBA 259
Comparación de las técnicas de
acceso múltiple
SCPC SCPC
(DAMA) TDM / TDMA TDMA
Número reducido
de
estaciones terrenas
Tráfico de voz y
datos (baja, media
y alta capacidad)
Configuración
estrella principal-
mente
Número amplio
de estaciones
terrenas
Tráfico de voz
principalmente
(baja capacidad)
Configuración
estrella o malla
Número amplio
de estaciones
terrenas
Número moderado
de estaciones
terrenas
Tráfico de datos
(baja y mediana
capacidad)
Configuración
estrella princi-
palmente
Tráfico de voz y
datos (mediana
y alta capacidad)
Configuración
estrella o malla
ING. OSCAR SOMARRIBA 260
Review
Por favor complete el ejercicio.
1. Liste tres de los principales componentes que conforman una trama TDMA:
A. _____________________________________
B. _____________________________________
C. _____________________________________
2. Considere una Trama TDMA con los siguientes parámetros:
Longitud de Trama TDMA: 16 ms
Velocidad de los datos de la ráfaga TDMA: 60 Mbps
32 ráfagas de tráfico y 2 ráfagas de referencia
Seceuncia de CCR (Carrier and Clock Recovery sequence) de secuencia: 256 bits
Secuencia de UW (Unique Word): 20 bits
Canal de “order wire”:512 bits
Canal de manejo: 256 bits
Canal de temporización de transmisión: 320 bits
Canal de servicio: 256 bits
Tiempo de Guarda: 32 bits
(a) Encontrar la eficiencia de la trama
(b) ¿ Cuántas portadoras T1 pueden ser acomodadas en la trama TDMA?
(c) ¿ Cuántos canales de voz de32 kbps pueden ser acomodados en la trama TDMA ?
ING. OSCAR SOMARRIBA 261 ING. OSCAR SOMARRIBA 261
Agenda
COMPONENTES DE UN SISTEMA DE
COMUNICACIÓN POR SATELITE
ESTACIONES TERRENAS
ANÁLISIS DE ENLACE VIA SATELITE
TECNICAS DE ACCESO:
FDMA
TDMA
SISTEMAS SATELITALES DIGITALES
REDES VSAT
Sistemas de Comunicaciones
Digitales Satelitales
• Introducción
• Operación digital de “Bent-pipe Satellite
Systems”
– Digital FDMA & IDR
– Digital TDMA
• Processing Satellites
• Link Budget for Digital Satellites
ING. OSCAR SOMARRIBA 262
Introducción
• Casi todos los sistemas satelitales en el mundo
son digitales.
• Se describen los sistema FDMA y TDMA
digitales.
ING. OSCAR SOMARRIBA 263
Operación digital de “Bent-pipe
Satellite Systems”
• Sistema FDMA:
– La operación de FDMA digital es muy similar al
caso analógico discutido antes. En vez de utilizar
una señal FDM/FM, una forma de onda digital es
transmitida en ese segmento usando técnicas de
modulación como QPSK.
– Dado que no se tiene regeneración en el
transponder del satélite, la señal en D/L sufre
cierta cantidad de distorsión debido al transponder
del satélite, el cual es un mixer y convertidor
descendente. Entonces el ruido de IM es la mayor
problema.
ING. OSCAR SOMARRIBA 264
Operación digital de “Bent-pipe
Satellite Systems” (2)
• Intelsat Digital Operation conocida como
sistema “IDR (Intermedia Data Rate) digital
carrier” es introducido.
• Las portadoras IDR en el sistema INTELSAT
utilizan QPSK coherente operando a diferentes
tasa de información desde 64 kbps a 44.736
Mbps. La tasa de información es definida
como tasa de bits entrando a la unidad de canal
antes de la aplicación de c/q overhead o FEC.
ING. OSCAR SOMARRIBA 265
Sistemas IDR
ING. OSCAR SOMARRIBA 266
IDR
• El ancho de banda ocupado en el sistema IDR
es aprox. Igual a 0.6* tasa de datos.
• Para proveer banda de guarda entre portadoras
adyacentes, el ancho de banda nominal del
satélite es 0.7* tasa de datos
ING. OSCAR SOMARRIBA 267
Performance de IDR
(ver detalles en página 384, Freeman)
ING. OSCAR SOMARRIBA 268
IDR Channel unit Diagrama en
Bloque de una unidad de canal IDR
ING. OSCAR SOMARRIBA 269
Operación digital de “Bent-pipe
Satellite Systems (3)
• Sistemas TDMA:
– Con TDMA digital, cada estación terrena tiene
acceso al Transponder en un time slot asignado
para su transmisión, y todos los U/Ls usan la
misma frecuencia portadora.
– Esto es similar a lo estudiado.
ING. OSCAR SOMARRIBA 270
Satélites con Procesamiento Digital
• A diferencia de los Satélites que son
repetidores RF (“bent-pipe satellites”), estos
operan en un modo digital y, como mínimo se
demodula la señal de U/L para la regeneración
para banda base.
ING. OSCAR SOMARRIBA 271
Sistema básico con repetidor
regenerativo
ING. OSCAR SOMARRIBA 272
Switched-SatelliteTDMA
(SS/TDMA)
• Ahora llevamos el procesamiento un paso
adelante empleando antenas avanzadas “beam
switching”, de haces conmutados. Esta técnica
provee enrutamiento troncal, incrementando la
capacidad del satélite para reuso de frecuencia
adicional.
ING. OSCAR SOMARRIBA 273
Switched-SatelliteTDMA
(SS/TDMA): El concepto
ING. OSCAR SOMARRIBA 274
SS/TDMA
• Las señales TDMA desde una zona geográfica
están cíclicamente interconectadas a otros
“beams” o zonas así que un conjunto de
transponder aparece tener capacidad de saltos
de haces. Una ventana de sincronismo es
usualmente requerida para sincronizar las
señales TDMA de las terminales en tierra a la
secuencia de conmutación en el satélite.
ING. OSCAR SOMARRIBA 275
Ejemplo 1 de satélite digital (A)
• Un cierto sistema de satélite opera a
2,048Mbps, la modulación es QPSK con
detección coherente, además usa codificación
convolucional con tasa de ½ usando un
decodificador Vterbi (hard decision) ; pérdidas
por implementación de modulación de 2 dB;
(C/No)s = 77 dB; y deseamos un margen de -
5dB. Calcular el BER que permita el margen
ING. OSCAR SOMARRIBA 276
Ejemplo1 de satélite digital (B)
ING. OSCAR SOMARRIBA 277
Ejemplo 2 de satélite digital (A)
• Un enlace U/L a 6 GHz trabajando en un
satélite de procesamiento tiene un BER=1* 10-5.
• LA PIRE del terminal es + 65 dBW y FSL al
satélite es 199.2 dB. ¿Cuál G/T requiere sin
coding? . ¿Cuál G/T se requiere con FEC? El
satélite utiliza una antena de “earth coverage”
ver Tabla 7.18. del libro de Freeman.
ING. OSCAR SOMARRIBA 278
Ejemplo 2 de satélite digital (B)
ING. OSCAR SOMARRIBA 279
Ejemplo 2 de satélite digital (C)
ING. OSCAR SOMARRIBA 280
Ejemplo 3 satélite digital (A)
• Un enlace descendente satelital (D/L) tiene una
PIREs de + 30 dBW a 7.35 GHz. La BER deseada es
1* 10-6 ; la modulación es BPSK con detección
coherente; FEC es implementado con codificación
convolucional , con una tasa r= ½, K=7, y
decodificación Viterbi con una cuantificación de
receptor de 3 bits; la tasa de datos es 45 Mbps y la
FSL es 202.0 dB ¿Cuál es G/T del equipo terminal
asumiendo un margen de 5dB? Asuma que el satélite
usa un spot beam. Ver Tabla 7.19 del libro de
Freeman.
ING. OSCAR SOMARRIBA 281
Ejemplo 3 satélite digital (B)
ING. OSCAR SOMARRIBA 282
Ejemplo 3 satélite digital (C)
• La G/T requerida es la suma (ver Tabla en la lámina
anterior) de 26.18+4.9+2.0+5.0 igual +38.08 dB/K.
Si ese valor es ahora sustituido por el valor inicial de
G/T de 0 dB/K, la última entrada en la tabla o antes
de la variable primera de “sum” será cero. El valor
para la Eb/N0 fue derivado de la figura 4.12, en la
curva de la izquierda, usando el BER = 1*10-6 (10.5
dB), luego de la Figura 4.19, donde obtenemos la
ganancia de codificación de 5.6 dB para K=7 y
R=1/2. Entonces restamos, dejando la Eb/N0 en 4.9
dB (10.5 -5.6 dB).
ING. OSCAR SOMARRIBA 283
Ejemplo 4 de Link budget para Sistemas IDR (Tabla 7.20)
284
ING. OSCAR SOMARRIBA 285 ING. OSCAR SOMARRIBA 285
Agenda
COMPONENTES DE UN SISTEMA DE
COMUNICACIÓN POR SATÉLITE
ESTACIONES TERRENAS
ANÁLISIS DE ENLACE VIA SATELITE
TECNICAS DE ACCESO:
FDMA & TDMA
SISTEMAS SATELITALES DIGITALES
REDES VSAT
ING. OSCAR SOMARRIBA 286
INTRODUCCIÓN A REDES
VSAT
• Definición de VSAT
• Configuraciones de Redes VSAT
• Aplicaciones
• Partes Involucradas en Redes VSAT
• Estaciones Terrestre para Redes VSAT
• Aplicaciones
ING. OSCAR SOMARRIBA 287
Definición de VSAT
• Las VSAT (Terminales de muy pequeña Abertura) son
estaciones terrenas mucho más pequeñas que las
convencionales, que ahora suministran comunicaciones fiables
para sistemas digitales y de vídeo.
• Los diámetros de las antenas parabólicas de las VSAT varían
entre 0.6 m (2 ft) a 2.4 m (7.8 ft) dependiendo de la capacidad
deseada de la estación
ING. OSCAR SOMARRIBA 288
CONFIGURACIONES DE
REDES VSAT
• Las VSAT estan conectadas por enlaces de radio frecuencia
vía un satélite. Las redes VSAT actuales usan satélites
geoestacionarios. Operan en las bandas C y Ku.
• Un enlace de radio frecuencia es una portada modulada que
transporta información.
• Las dos configuraciones básicas son:
• Una Red VSAT basada en una arquitectura en forma de estrella
• Una red VSAT basada en una arquitectura en forma de malla.
ING. OSCAR SOMARRIBA 289
Configuraciones de Redes VSAT
Uplink Downlink
Satélite
ING. OSCAR SOMARRIBA 290
CONFIGURACIONES DE
REDES VSAT- RED ESTRELLA
VSAT
HUB
VSAT
VSAT
VSAT VSAT
VSAT
ING. OSCAR SOMARRIBA 291
CONFIGURACIONES DE
REDES VSAT- RED MALLA
VSAT VSAT
VSAT VSAT
VSAT VSAT
ING. OSCAR SOMARRIBA 292
APLICACIONES
APLICACIONES CIVILES:
Aplicaciones civiles unidireccionales: • Difusión de acciones en el mercado y de noticias
• Educación continua a distancia
• Introducción a nuevos productos en ubicaciones
remotas
• Distribución de vídeo o programas de TV
ING. OSCAR SOMARRIBA 293
APLICACIONES (CONT.)
APLICACIONES CIVILES
BIDIRECCIONALES: • Transacciones interactivas de computadoras
• TeleConferencias de baja velocidad de datos
• Interrogación a bases de datos.
• Transaciones bancarias
• Sistemas de reservación
• Proceso de distribución remota y telemetría
• Comunicaciones de voz
APLICACIONES MILITARES
ING. OSCAR SOMARRIBA 294
PARTES INVOLUCRADAS EN
REDES VSAT
ING. OSCAR SOMARRIBA 295
ESTACIONES TERRESTRES
PARA REDES VSAT
• Equipos de la estación VSAT
• La estación Hub
ING. OSCAR SOMARRIBA 296
Equipos de la estación VSAT
ING. OSCAR SOMARRIBA 297
ESTACIONES TERRESTRE
PARA REDES VSAT
• Un estación VSAT esta compuesta de equipos
separados: la unidad exterior (ODU), y la
unidad interior (IDU).
• La ODU es la interfase VSAT al satélite
• La IDU es la interfase a las terminales de los
usuarios o a una LAN.
ING. OSCAR SOMARRIBA 298
LA ESTACION HUB
• La estación Hub posee un tamaño (diámetro)
mayor que las VSAT
• El Hub posee adicionales Módulos funcionales
(Interfase de Banda Base, Procesamiento de
acceso al satélite)
• Una Hub esta equipada con un NMS (Network
Management Service)
• Rango de precio entre U$ 105- 106
ING. OSCAR SOMARRIBA 299
SUBSISTEMAS DEL HUB
UNIDAD INTERIOR
Terminal RF (Convertidores
Ascendente/Descendente, TX,
RX)
Procesamiento de
acceso al satélite
(modulador, demo-
dulador, mux,
temporización)
Interfase de
BandaBase Computer
HOST
NMS
Estaciones de Trabajo
Gráficas
ING. OSCAR SOMARRIBA 300
Conectividad VSAT-VSAT
{Tomado de Tanenbaum}
Descripción Técnica de una Red
VSAT y su Operación (1)
• La mas utilizad topología para redes VSAT es la
configuración en estrella. El Hub es la pieza central y
casi siempre esta colocado en la cas matriz de una
corporación o empresa usualmente en la capital de un
país. Un Hub podría tener una antena con un
diámetro 5 m o 11 m, mientras un terminal VSAT
podría tener una antena con un diámetro en el rango
de 0.6 a 2.4 m. La potencia de salida RF en el Hub
varía de 100 a 1000 W, mientras que la VSAT estará
en el rango de 1-10 W.
ING. OSCAR SOMARRIBA 301
Descripción Técnica de una Red
VSAT y su Operación (2)
• Para reducir los cargos recurrentes del segmento
espacial, se trata de utilizar tan poco ancho de banda
como sea posible en el transpondedor del satélite.
• El “Outbound traffic” (tráfico o circuitos en la
dirección del Hub a la VSAT) es usualmente
transportado en flujo de bits TDM, 56 kbps, 64 kbps,
128 kbp, 256 kbps, 384 kbps (etc.). El “Inbound
traffic” (tráfico o circuitos en la dirección de la
VSAT al Hub) , dependiendo grandemente en el
perfil del tráfico, utilizará algún tipo de asignación
por demanda o por contención, por encuesta (polling)
, u otro protocolo con data rates de 1200 bps a 64
kbps o mayor.
ING. OSCAR SOMARRIBA 302
Ejemplo de Link Budget para Típica VSAT
operada en la Banda Ku (1)
• Las VSATs usualmente opera en la banda Ku debido
a que es más favorable PIRE permitida en el D/L
cuando es comparada con la banda C.
• Un modelo de VSAT bajo consideración es un
sistema de dos vías usando las frecuencias de la
banda Ku. El enlace Outbound es 128 kbps en un
formato TDM empleando la modulación QPSK con
detección del coherente usando codificación
convolucional con tasa r=1/2, K=7 y cuantificación
de 3 bits, con decodificación de Viterbi.
ING. OSCAR SOMARRIBA 303
Ejemplo de Link Budget para Típica VSAT
operada en la Banda Ku (2)
• El tráfico del enlace Inbound tiene una tasa de
datos de 32 kbps usando un formato de trama
tipo HDSL, con un FEC similar. El enlace de
128 kbps con tasa de codificación de ½ tiene
un tasa de símbolos codificado de 256
símbolos/s. Este enlace requiere un canal RF
de 200 kHz.
• La tasa de información de 32 kbps y tasa de
símbolos codificada de 64 kbps requiere un
canal RF de 50 KHz.
• .
ING. OSCAR SOMARRIBA 304
Ejemplo de Link Budget para Típica VSAT
operada en la Banda Ku (3)
• El BER, bajo condiciones de cielo claro, es
1*10-9; para el caso de condiciones de
degradación el BER puede decaer 1*10-6 .
• También se tiene una pérdida implementación
por modulación de 2 dB así que Eb/N0 para
operaciones en condiciones de cielo despejado
es 8.5 dB; para una operación degrada se tiene
6.7 dB para el canal outbound de 128 kbps.
ING. OSCAR SOMARRIBA 305
Ejemplo de Link Budget para Típica VSAT
operada en la Banda Ku (4)
• El canal inbound de 32 kbps también requeiere
8.5 dB para condiciones de cielo despejado y
6.7 dB para el caso de operación degrada. Para
mitigar la caída de lluvia en la banda Ku, y
existe un margen de 4 dB en ambos enlaces.
• El ángulo de elevación de ambas, Hub y
VSAT es 10° . El rango (distancia) al satélite
(ver figura 6.5 del libro de Freeman) es 25,
220 sm.
ING. OSCAR SOMARRIBA 306
Ejemplo de Link Budget para Típica VSAT
operada en la Banda Ku (5)
• La frecuencia de un enlace oubound es 14,100
MHz, su equivalente en el D/L es 11,800
MHz.
• La frecuencia del U/L inbound es 14,300
MHz, su equivalente frecuencia en D/L es
12,000 MHz. Los transponders del satélite en
cuestión cada uno tiene una PIRE de * 44
dBW sobre un ancho de banda de 72 MHz,
asumiendo condición de carga completa. La
G/T de los transponder son en cada caso es 0.0
dB/K ING. OSCAR SOMARRIBA 307
Ejemplo de Link Budget para Típica VSAT
operada en la Banda Ku (6)
• La portadora inbound en el D/L tiene una
PIRE de +12.4 dBW; para el outbound en el
D/L, el PIRE de la portadora de la VSAT es
18.4 dBW. Estos valores de PIREs fueron
calculados asumiendo una densidad de
potencia uniforme a través de todo el ancho de
banda del satélite de 72 MHz. Por lo que la
PIRE = +44 dBW-10log(72,000/200) =+18.4
dBW. El valor de 12.4 dBW es calculado en
forma similar o sea +44 dBW-log(72,000/50).
ING. OSCAR SOMARRIBA 308
Ejemplo de Link Budget para Típica VSAT
operada en la Banda Ku (7)
• La Hub tiene los siguientes parámetros:
Potencia transmitida, 500 W o +27 dBW;
pérdida de las líneas de transmisión de 2 dB,
abertura de la antena de 5m . Su ganancia a
14,000 MHz es 53.5 dB y a 11,800 MHz es
52.0 dB; Tsys = 200 K, as que la G/T del hub
es + 29.0 dB/K. Las PIRE = + 78.5 dBW.
• Los parámetros postulados del terminal VSAT
en este sistema son los siguientes:
G/T = ?, es desconocido. Asumimos que su
eficiencia es 65%.
• ING. OSCAR SOMARRIBA 309
Ejemplo de Link Budget para Típica VSAT
operada en la Banda Ku (8)
• La Tsys para el sistema rx consiste de la suma de Tant y Tr.
Entonces, Tr=100 K y Tant=120K. Así Tsys=220 K.
• La PIRE de la VSAT es desconocida , las pérdidas por líneas
de transmisión son 1 dB; la potencia de transmisión de salida
es desconocido (en el rango de 0.5- 10 W). El link budget del
D/L (outbound) determinará la apertura de la antena.
• Las perdidas de espacio libre son los siguientes:
– (14.1 GHz) FSL (dB)= 207.59 dB
– (14.3 GHz) FSL (dB)= 207.71 dB
– (12.0 GHz) FSL (dB)= 206.19 dB
– (11.8 GHz) FSL (dB)= 206.05 dB
ING. OSCAR SOMARRIBA 310
Ejemplo de Link Budget para Típica VSAT
operada en la Banda Ku (9)
ING. OSCAR SOMARRIBA 311
Ejemplo de Link Budget para Típica VSAT
operada en la Banda Ku (10)
• ¿Cuál C/N0 neta es requerida para una Eb/N0 de 8.5
dB?
• N0= -228.6 dBW + 10*log Tsys con Tsys= 220 K
• Así, N0= -228.6 dBW + 10*log220= -205.17 dBW
• Eb debe tener 8.5 dB más alta que -205.17 dBW o
196.67 dBW. La tasa de datos en el canal es 128
kbps; así C= RSL=196.67 dBW+10*log(128+10-3) o
-196.67+51.07 dB= -145.6 dBW. Entonces es
objetivo:
– C/ N0(t)= 145.6 dBW –(-) 205.17 dBW = 59.57 dB
ING. OSCAR SOMARRIBA 312
Ejemplo de Link Budget para Típica VSAT
operada en la Banda Ku (11)
• Despreciando el ruido generado por el satélite
(productos de IM):
• Convirtiendo valores en dB en valores
numéricos, tenemos:
• 905,7330 1/[1/(5128*106)+1/(C/N0(d))]=>
C/N0(d) 60 dB
ING. OSCAR SOMARRIBA 313
Ejemplo de Link Budget para Típica VSAT
operada en la Banda Ku (12)
• Colocando este valor en el link budget del D/L en las
láminas anteriores, podemos calcular ahora la G/T
para el VSAT. El C/N0 calculado es 39.45 dB; la
C/N0 requerida = 60 dB así que existe un déficit en
20.55 dB en la C/N0.
• Sustituyendo 20.55 dB para el valor de G/T. En otras
palabras, la G/T debe ser 20.55 dB/K en vez de 0.0
dB/K . Si deseamos un margen de 4 dB, sumaremos a
este valor , o sea la G/T será 24.55 dB. Usaremos este
valor para calcular la apertura de la antena.
• Para calcular la apertura de la antena requerida de la
VSAT, necesitamos la ganancia de la antena usando
la identidad matemática de identidad para G/T. La
Tsys fue calculado en 220 dB.
ING. OSCAR SOMARRIBA 314
Ejemplo de Link Budget para Típica VSAT
operada en la Banda Ku (13)
• G/T= G(dB)-10*log220
• 24.55 dB= G(dB)-23.42 dB G(dB)=47.97 dB
• La ganancia de la antena podría se calculada usando la fórmula :
– G(dB)=20*log(D)+20*log(11,800MHz)+10*log0.65-49.92
– D= 2.5m
• El próximo problema es calcular la potencia de tx de U/L de la
VSAT. LA PIRE de ese U/L esta basado en una antena con una
apertuta de 2.5 m. Calcular la antena de ganancia en la
frecuencia del U/L de 14.3 MHz. Esto da una G(dB)= 49.65 dB.
• Utilizando una potencia de tx de un 1W (o dBW). La PIRE de
los VSAT en el U/L es entonces = 0-1 dB+49.65 dBW=+48.65.
Ahora veamos el link budget inbound.
ING. OSCAR SOMARRIBA 315
Ejemplo de Link Budget para Típica VSAT
operada en la Banda Ku (14)
ING. OSCAR SOMARRIBA 316
Ejemplo de Link Budget para Típica VSAT
operada en la Banda Ku (15)
• Calcular el valor equivale numérico de cada
valor C/N0. Esto permite calcular C/N0(t) :
• C/N0(t) = 61.11 dB
• N0 = -228.6 dBW/K +10*log200 K=-205.59 dBW/Hz
• C/N0(t) = C(dBW)- N0 (C= RSL)
• 61.11 dB=RSL(dBW)-(-205.59 dBW/Hz)
• RSL= -144.48 dBW
• Eb= -144.48 dBW-10*log(32*103)=-189.53 dBW
• Eb/N0 =-189.53-(-205.39 dBW/Hz) =16.06 dB (Calculado)
• Eb/N0 (requerido)= 8.5 dB
• Margen= 7.56 dB
ING. OSCAR SOMARRIBA 317
TECNICAS DE ACCESO (1)
• Técnicas de Acceso Aleatorios:
– ALOHA PURO
– SLOTTED ALOHA
– ALOHA con REJECT SELECTIVE (SREJ)
– R-ALOHA o ALOHA con Capacidad de
Reservación.
ING. OSCAR SOMARRIBA 318
Througout vs. Delay para algunos
esquemas ALOA
ING. OSCAR SOMARRIBA 319
TECNICAS DE ACCESO (2)
• Técnicas de Acceso por demanda asignada (DAMA):
– DAMA es un sistema de acceso múltiple está basado en el
concepto de un POOL de canales de tráfico que puede ser
asignado por demanda. Cuando un usuario VSAT tiene
tráfico, al Hub se le hace una petición por un canal. Si el
canal está disponible, el hub asigna el canal a la VSAT, lo
cual entonces procede a transmitir su tráfico. Cuando la
transacción de tráfico es completada , el canal utilizado es
retornado al pool de los canales disponibles.
• Existe sistema DAMA, basados en FDMA o en TDMA
• En el primer caso tenemos SDMA /SCPC.
• DAMA es útil para tráfico más o menos continuo.
ING. OSCAR SOMARRIBA 320
TECNICA DE ACCESO (3)
• FDMA de Asignación Fija
• Cuando tenemos un flujo de tráfico casi continuo es
estimado desde la VSAT al Hub, la operación SCPC
podrías ser una alternativa atractiva. En este caso,
cada VSAT se le asignada una slot de frecuencia en
un base de un periodo completo.
• El ancho de banda de la slot debe ser lo suficiente
para acomodar el flujo del tráfico.
• Otra alternativa es TDMA, donde una time slot es
asignada en un periodo para la conectividad.
ING. OSCAR SOMARRIBA 321
Time Division Multiple Access and ALOHA
• TDMA is a truly digital technology, requiring that all information be converted into bit streams or data packets before transmission to the satellite. (An analog form of TDMA is technically feasible but never reached the market due to the rapid acceptance of the digital form.)
• Contrary to most other communication technologies, TDMA started out as a high-speed system for large Earth stations.
• Systems that provided a total throughput of 60 to 250 Mbps were developed and fielded over the past 25 years.
• However, it is the low-rate TDMA systems, operating at less than 10 Mbps, which provide the foundation of most VSAT networks.
• As the cost and size of digital electronics came down, it became practical to build a TDMA Earth station into a compact package.
Time Division Multiple Access and
ALOHA
• Lower speed means that less power and bandwidth need to be acquired (e.g., a fraction of a transponder will suffice) with the following benefits:
– The uplink power from small terminals is reduced, saving on the cost of transmitters.
– The network capacity and quantity of equipment can grow incrementally, as demand grows.
Time Division Multiple Access and
ALOHA
• TDMA signals are restricted to assigned time slots and therefore must be transmitted in bursts.
• The time frame is periodic, allowing stations to transfer a continuous stream of information on average.
• Reference timing for start-of-frame is needed to synchronize the network and provide control and coordination information.
• This can be provided either as an initial burst transmitted by a reference Earth station, or on a continuous basis from a central hub.
• The Earth station equipment takes one or more continuous streams of data, stores them in a buffer memory, and then transfers the output toward the satellite in a burst at a higher compression speed.
Time Division Multiple Access and
ALOHA
• At the receiving Earth station, bursts from Earth stations are received in sequence, selected for recovery if addressed for this station, and then spread back out in time in an output expansion buffer.
• It is vital that all bursts be synchronized to prevent overlap at the satellite; this is accomplished either with the synchronization burst (as shown) or externally using a separate carrier.
• Individual time slots may be pre-assigned to particular stations or provided as a reservation, with both actions under control by a master station.
• For traffic that requires consistent or constant timing (e.g., voice and TV), the time slots repeat at a constant rate.
Time Division Multiple Access and
ALOHA
• Computer data and other forms of packetized information can use dynamic assignment of bursts in a scheme much like a DAMA network.
• There is an adaptation for data, called ALOHA, that uses burst transmission but eliminates the assignment function of a master control.
• ALOHA is a powerful technique for low cost data networks that need minimum response time. Throughput must be less than 20% if the bursts come from stations that are completely uncoordinated because there is the potential for time overlap (called a collision).
Time Division Multiple Access and
ALOHA
• The most common implementation of ALOHA employs a hub station that receives all of these bursts and provides a positive acknowledgement to the sender if the particular burst is good.
• If the sending station does not receive acknowledgment within a set “time window,” the packet is re-sent after a randomly selected period is added to prevent another collision.
• This combined process of the window plus added random wait introduces time delay, but only in the case of a collision.
• Throughput greater than 20% brings a high percentage of collisions and resulting retransmissions, introducing delay that is unacceptable to the application.
Time Division Multiple Access and
ALOHA
• An optimally and fully loaded TDMA network can achieve 90% throughput, the only reductions required for guard time between bursts and other burst overhead for synchronization and network management.
• The corresponding time delay is approximately equal to one-half of the frame time, which is proportional to the number of stations sharing the same channel.
• This is because each station must wait its turn to use the shared channel.
• ALOHA, on the other hand, allows stations to transmit immediately upon need. Time delay is minimum, except when you consider the effect of collisions and the resulting retransmission times.
Time Division Multiple Access and
ALOHA
• TDMA is a good fit for all forms of digital communications and should be considered as one option during the design of a satellite application.
• The complexity of maintaining synchronization and control has been overcome through miniaturization of the electronics and by way of improvements in network management systems.
• With the rapid introduction of TDMA in terrestrial radio networks like the GSM standard, we will see greater economies of scale and corresponding price reductions in satellite TDMA equipment.
Code Division Multiple Access
• CDMA, also called spread spectrum communication, differs from FDMA and TDMA because it allows users to literally transmit on top of each other.
• This feature has allowed CDMA to gain attention in commercial satellite communication.
• It was originally developed for use in military satellite communication where its inherent anti-jam and security features are highly desirable.
• CDMA was adopted in cellular mobile telephone as an interference-tolerant communication technology that increases capacity above analog systems.
Code Division Multiple Access
• It has not been proven that CDMA is universally superior as this depends on the specific requirements.
• For example, an effective CDMA system requires contiguous bandwidth equal to at least the spread bandwidth.
• Two forms of CDMA are applied in practice: (1) direct sequence spread spectrum (DSSS) and
(2) frequency hopping spread spectrum (FHSS).
• FHSS has been used by the OmniTracs and Eutel-Tracs mobile messaging systems for more than 10 years now, and only recently has it been applied in the consumer’s commercial world in the form of the Bluetooth wireless LAN standard. However, most CDMA applications over commercial satellites employ DSSS (as do the cellular networks developed by Qualcomm).
Code Division Multiple Access
• Consider the following summary of the features of spread spectrum technology (whether DSSS or FHSS): – Simplified multiple access: no requirement for coordination
among users;
– Selective addressing capability if each station has a unique chip code sequence—provides authentication: alternatively, a common code may still perform the CDMA function adequately since the probability of stations happening to be in synch is approximately 1/n;
– Relative security from eavesdroppers: the low spread power and relatively fast direct sequence modulation by the pseudorandom code make detection difficult;
– Interference rejection: the spread-spectrum receiver treats the other DSSS signals as thermal noise and suppresses narrowband interference.
Code Division Multiple Access
• A typical CDMA receiver must carry out the following functions in order to acquire the signal, maintain synchronization, and reliably recover the data: – Synchronization with the incoming code through the
technique of correlation detection;
– De-spreading of the carrier;
– Tracking the spreading signal to maintain synchronization;
– Demodulation of the basic data stream;
– Timing and bit detection;
– Forward error correction to reduce the effective error rate;
Code Division Multiple Access
• The first three functions are needed to extract the
signal from the clutter of noise and other signals.
• The processes of demodulation, bit timing and
detection, and FEC are standard for a digital
receiver, regardless of the multiple access
method.
Multiple Access (Resumen)
• The bottom line in multiple access is that there is no single system that provides a universal answer.
• FDMA, TDMA, and CDMA will each continue to have a place in building the applications of the future.
• They can all be applied to digital communications and satellite links.
• When a specific application is considered, it is recommended to perform the comparison to make the most intelligent selection.
Ejemplo de Diseño de una RED VSAT (1)
• Para introducir al diseño de una red VSAT modesta para
soportar transacciones donde el retraso mínimo y el costo son
requerimientos primordiales. El sistema operará en la banda
Ku. La red soporta una cadena de 50 tiendas. El Hub está
localizado en los cuarteles generales de la compañía. La
transacción de mensajes inbound esta basada en trama tipo
HDSL de 40 octetos, incluyendo el overhead. La tasa de datos
de inbound es 9600 bps con tasa de codificación
convolucional de 1/2 , K=7, y 3 bits de “soft decision” en el
Rx con decodificación proveyendo una ganancia de
codificación de 5.3dB (Ver figuras 4.19 y Tabla 4.7) . El flujo
TDM outbound es 19.2 kbps con codificación similar. LA
modulación QPSK es utilizada en ambos casos.
Cada terminal puede tener tanto como 16 contadores de
atención en operación a la vez, y el peor caso es una
transacción por minuto por cada estación de revisión.
ING. OSCAR SOMARRIBA 336
Ejemplo de Diseño de una RED VSAT (2)
• La verificación de tarjeta de crédito y la realización
de un cargo de una transacción actual sigue un
formato de trama HSDL. Así, la tasa de trama para el
peor caso, para una sucursal, es 16 tramas por
minuto, es decir es 40 x 8 o 320 bits por trama.
• La duración de una transacción es entonces, es
320/9600 segundos o 33ms . El tiempo online por
almacén o sucursal es 0.528 por 60 segundos (i.e., 16
x 33 ms). Asumiendo que todos los 50 almacenes
tienen un mismo perfil de tráfico, nosotros tenemos
50 x 0.528 para el peor caso, la intensidad de tráfico
pico. Esto sería 26,4 segundos por minutos. Este
valor está muy por encima del 18 % permitido por
ALOHA Pure.
ING. OSCAR SOMARRIBA 337
Ejemplo de Diseño de una RED VSAT (3)
• Entonces se nos presentan tres posibilidades. (1)
Utilizar Slotted Aloha involucrando un incremento en
el costo y la complejidad. (2) Tener 3 canales
inbound, dividiendo el tráfico hasta situarnos en el
requerimiento del 18% de Aloha Puro. Así, en cada
canal, habría sólo tráfico de 17 tiendas o 9.601
segundos por minuto o alrededor 15 %. (3) Utilizar
una tasa de datos inbound más alta, por ejemplo, 32
kbps.
• La decisión es tomada por la negociación de cargos
recurrentes del segmento espacial basados en el
ancho de banda frente a los costos de la complejidad
de ALOHA Ranurado.
ING. OSCAR SOMARRIBA 338
Ejemplo de Diseño de una RED VSAT (4)
• El flujo de bits TDM outbound tiene
suficiente capacidad a 19.2 kbps debido a que
el tráfico predominantemente es VSAT-a- Hub
o sea el tráfico inbound.
• Los ancho de bandas som calculado utilizando
un filtro de 1.5 Nyquist Cosine rolloff. La tasa
por símbolos es el doble la tasa de bitios (tasa
de coding de 1/2) así el canal inbound se
calculaen 10x2x1.5 o 30 KHz y el canal
outbound es calculado como 20x2x1.5 o 60
kHz . Ambos utilizan QPSK coherente.
ING. OSCAR SOMARRIBA 339
Ejemplo de Diseño de una RED VSAT (5)
• El satélite utiliza un spot beam para que el sistema
tenga una PIRE de +45 dBW dispersa
uniformemente en el ancho de banda de 72 MHz del
transbordador.
• LA PIRE de la portadora D/L inbound es +14.21
dBW. La PIRE de la portadora de D/L inbound tiene
+11.18 dBW. La BER de ambos inbound y outbound
con condiciones de cielo despejado es 1x10-9 ; basado
en la modulación QPSK con detección coherente y
codificación FEC tiene una Eb/N0 de 8.5 dB,
incluyendo las pérdidas por implementación de la
modulación de 2dB. También se dejan de margen
5dB para casos de lluvia e interferencia.
• El ángulo de elevación es de 20° para ambos casos.
ING. OSCAR SOMARRIBA 340
Ejemplo de Diseño de una RED VSAT (6)
• Los rangos de los satélites geoestacionarios son
21,201 nm (millas náuticas). La asignación de
frecuencias versus las funciones de los flujos de
tráficos y la pérdidas de FSL están señalados en la
Tabla 8.3
ING. OSCAR SOMARRIBA 341
Ejemplo de Diseño de una RED VSAT (7)
• Para el U/L inbound, la potencia de salida del
tranmisor VSAT es 1 W(0 dBW) . En el caso
dela U/L outbound (i.e., en el Hub) la salida de
potencia del transmisor se asume que es 1W
también. La G/T del satélite en ambos casos es
1 dB/K.
ING. OSCAR SOMARRIBA 342
Ejemplo de Diseño de una RED VSAT (8)
ING. OSCAR SOMARRIBA 343
Ejemplo de Diseño de una RED VSAT (9)
• La C/N 0(t) objetivo es calculado como sigue,
basados en la Eb/N0 de 8.5 dB. La Tsys en el Hub
es 200 K. Así N0= -228.6 dBW +10*log200=-
205.59 dBW. Eb debe ser mayor o estar encima
de este valor por 8.5 dB, o sea –197.09 dBW.
• C= RSL = -197.09 dBW +10*log9600= -157.24
dBW. O sea la C/N 0(t) para los enlaces inbound
debe ser
• C/N 0(t) = -157.24 dBW-(-205.59dBW)= 48.35 dB
• A este valor C/N0 le sumamos el margen de 5 dB
para obtener un total de 53.35 dB.
ING. OSCAR SOMARRIBA 344
Ejemplo de Diseño de una RED VSAT (10)
• Usando la ecuación 6.32, calculamos la C/N 0(t) neta.
• Calculamos los equivalentes numéricos de cada valor de C/N0:
– U/L: 67.40 dB= 5,495,408.7
– D/L: 58.34 dB= 682,338.7
– La C/N 0(t) =57.83 dB.
• El próximo paso es calcular los link budget outbounds.
ING. OSCAR SOMARRIBA 345
Ejemplo de Diseño de una RED VSAT (11)
ING. OSCAR SOMARRIBA 346
Ejemplo de Diseño de una RED VSAT (12)
• La C/N0 objetivo para los enlaces outbound es calculad a
continuación. La Eb/N0 deseada es 8.5 dB. Tsys del
sistema rx d ela VSAT es 206 K; asi N0 para ese sistema
es – 228.6 dBW+1º*log206= -205.46 dBW. Eb debe estar
8.5 dB encima de este valor ; es decir – 196.96 dBW.
• C=RSL= -196.96*10+log(19.2x103) = 154.12 dBW.
• El valor objetivo para C/N 0(t) es -154.12dBW-(-205.46
dBW)= 51.33 dB. Para completar el diseño a este valor le
debemos agregar el margen de 5dB requerido es decir
obtenemos un valor de 56.33 dB.
• Ahora calculamos la C/N 0(t) outbound para estos link
budgets.
ING. OSCAR SOMARRIBA 347
Ejemplo de Diseño de una RED
VSAT (13)
• Calculamos los equivalentes numéricos de cada valor de C/N0:
– U/L: 69.98 dB= 9,954,054
– D/L: 57.65 dB= 582,115
– La C/N 0(t) =57.40 dB.
• Este último valor esta justamente dentro del rango del
valor objetivo de 56.33 dB. Debe ser notado que el
Hub es comparativamente pequeño, por ello es
probable que no requiera alguna forma de tracking.
• Los enlaces U/L inbound aparecen
sobredimensionados, pero la G/T requerida en el D/L
VSAT dicta el diámetro de antena que el U/L debe
usar. ING. OSCAR SOMARRIBA 348
Ejemplo de Diseño de una RED
VSAT (14)
• De igual manera, el U/L outbound aparece
sobre dimensionado, pero el D/L inbound
requiere un valor de G/T que necesita un
diámetro de antena de 10pies.
• Es aconsejable equipar el uplink outbound
con un HPA de 10 W y utilizar la potencia de
salida decrementada (i.e, 1 W). Esto provee un
una margen adicional de 10 dB en ese U/L.
• Cualquier reducción adicional en los
parámetros de enlace degradaría el desempeño
por debajo de lo especificado.
ING. OSCAR SOMARRIBA 349
ING. OSCAR SOMARRIBA 350
Review
Por favor complete el ejercicio.
1. Liste las cuatro mayores bandas de frecuencias usada en las comunicaciones vía satélite:
A. ____________________________________
B. ____________________________________
C. ____________________________________
D. ____________________________________
2. ¿ Qué frecuencias o banda de frecuencias es un usada para los enlaces cruzados en la comunicación
entre satélites ?
3. ¿ Qué significado o A qué se refiere tiene ”very small apertura” en las siglas VSATs ?
4. ¿Qué tipo de sistema satelital es utilizado en general por un sistema VSAT?
A. Elíptico
B. Geoestacionario
C. LEO
D. Intelsat
5. ¿ Por qué se necesita de una estación HUB en las redes VSAT de topología estrella? Y
¿ Dé una razón de peso por que el tamaño del Hub es mucho mayor que las VSAT que sirve ?
6. ¿ Que tipo de topología VSAT tiene utiliza COCESNA en su comunicaciones satelitales?
7. ¿ Por qué la banda Ku es frecuentemente más deseable que la banda C para la operación de una
Red VSAT? ¿ Cuál es la principal desventaja de la banda Ku en comparación con la banda C?