Sistema de Antena de Haces Múltiples del Satélite Centenario

Amanda Gómez González

Fecha: 2015-05-01


Los satélites de comunicaciones, normalmente cubren una zona determinada por medio de la huella, misma que depende directamente de la antena y el correspondiente patrón de radiación.
 
En el caso del próximo satélite mexicano “Centenario”, tiene características sumamente interesantes, dado que cuenta con tecnología moderna que permite el reúso del ancho de banda, no solo a nivel de frecuencias sino por separación espacial de los haces que la conforman.
 
Una antena es el elemento activo conectado a la fuente de energía y cuyo tamaño y forma dependen directamente de la frecuencia en que se trabaje. La ganancia de la antena se puede mejorar mediante elementos pasivos, no alimentados, como son el director y el reflector.
 
El director justamente ayuda a que el haz que sale de la antena o arreglo de antenas, sea dirigido con un ancho de haz mucho menor y mejorar la precisión sobre la zona de cobertura.
 
El reflector por su parte hace las veces de un colimador o embudo de señales, que llegan a un área muy grande y la concentra en el centro focal aumentando la ganancia y disminuyendo el ancho del haz.
 
Cuando hablamos de arreglo de antenas, esto se debe a que en el centro focal se coloca un arreglo de elementos activos cuya suma de haces, conforman el haz de salida o entrada del sistema y esto puede representar la zona específica de cobertura, estos arreglos pueden dar un haz o huella fija.
 
En el Satélite Centenario, además de un arreglo en el foco del reflector, cuenta con la posibilidad de reconfiguración de haces de forma “inteligente” mediante software, el cual puede variar elemento por elemento en magnitud y fase. Con esto se logran haces y coberturas conformadas y reconfigurables.
 
Los satélites que trabajan con un solo haz, tienen una zona de cobertura un tanto cuanto burda, sin hacer delimitación precisa del territorio cubierto y presenta en la actualidad grandes desventajas respecto al caso de operar con varios haces de forma simultánea.                            

Cuando la cobertura requerida abarca una región menor o delimitada por razones territoriales o políticas, se necesita tener una huella más estrecha, mejorando la ganancia de la antena, pero, queda circunscrita a un área pequeña y cualquier enlace fuera de esta huella sólo podrá conectarse mediante enlaces terrestres o enlaces entre satélites con estaciones situadas fuera de su zona de servicio.

 

Por lo tanto, en satélites que operan con un haz habrá que elegir entre gran cobertura (y posible interconexión entre gran número de estaciones terrestres) con poca ganancia de la antena y gran ganancia a costa de tener una cobertura reducida.
 
Los satélites con múltiples haces simultáneos nos permiten conseguir las ventajas de cada caso: gran cobertura, delimitación de territorio cubierto y ganancias elevadas.
 
Los satélites con haces múltiples hacen posible que un solo satélite se pueda comunicar con un gran número de estaciones terrestres mejorando así la capacidad de comunicación, la eficacia en la utilización de satélites y el tamaño de las antenas de las estaciones terrenas. Como resultado se consigue una reducción de costos.

 

 

 

REUTILIZACIÓN DE FRECUENCIAS
 
La reutilización de frecuencias consiste en utilizar la misma banda de frecuencias varias veces de manera que sea posible aumentar la capacidad del sistema para un determinado ancho de banda B.
Puede llevarse el reuso de frecuencias a utilizando polarizaciones ortogonales por decir, una señal  en polarización vertical y otra en horizontal, con  aislamiento de polarización a 90° se pueden ocupar ambas en el mismo ancho de banda o utilizando la misma banda de frecuencias en distintos haces siempre que la separación angular sea suficiente.
 
El factor de reutilización de frecuencias se define como el número de veces que el ancho de banda B se utiliza. En el caso de reutilización por polarizaciones ortogonales el factor sería dos y si utilizamos la misma banda de frecuencias en distintos haces podría ser reutilizado este ancho de banda B para tantos haces como el nivel de interferencia nos permitiera. Ambas técnicas pueden ser combinadas.

 

 

COBERTURA
 
A diferencia de las coberturas vistas que utilizan un único haz a una determinada frecuencia y con una polarización dada, la cobertura con varios haces implica la generación de haces que pueden estar en diferentes bandas de frecuencia y tener distintas polarizaciones
 
HACES PINCEL SEPARADOS
 
La zona de servicio consiste en un conjunto de regiones geográficas separadas entre sí. Estas regiones son iluminadas por haces estrechos de sección transversal circular que pueden compartir la misma banda de frecuencias siempre que la separación angular sea suficiente.
 
La utilización de polarizaciones ortogonales permite un mayor aislamiento entre enlaces aunque la separación angular sea pequeña.

 

 

HACES CONTIGUOS
 
Utilizando un conjunto de haces contiguos estrechos se consigue una mejor ajuste a la zona de servicio respecto al caso de un único haz.
 
En el caso de un único haz, la ganancia de la antena del satélite está limitada por el ancho de haz que impone la zona de servicio. Al ser el diámetro de cada uno de los haces necesarios más estrecho que el haz único que cubriría la misma región, la ganancia correspondiente son mayor.  Y será posible utilizar en las estaciones terrestres antenas de pequeño diámetro.

 

 

Los haces se solapan de forma parcial por lo que las frecuencias utilizadas en cada uno deben diferir entre sí.
Estos haces comparten el total del ancho de banda disponible del sistema condicionados por las regulaciones de radiocomunicaciones. Está por tanto limitada la capacidad de cada haz.
Para asegurar la interconexión de haces hay que considerar el encaminamiento de las portadoras entre los haces.
 
MALLADO  DE HACES
 
Combinando varios haces y la reutilización de frecuencias conseguimos una cobertura por mallado de haces cuyo patrón básico está formado por haces que utilizan un conjunto de frecuencias que se repiten de forma ordenada sobre la zona de servicio.          

La distancia angular entre haces que reutilizan la misma banda de frecuencias determina el nivel de la interferencia cocanal. Las mayores interferencias se producen en el borde de la zona cubierta por un haz pues es donde el nivel de la señal es menor, debido a la reducción de ganancia que experimenta, y donde el nivel de la interferencia es mayor.
 
Cuanto mayor sea el número de haces ( y frecuencias ) utilizados en el patrón básico mayor distancia angular tendremos entre haces que usan la misma frecuencia y por tanto menos interferencia en el sistema. Por otra parte, el ancho de banda que quedaría disponible para cada haz sería menor.

 

 

INTERCONEXIÓN ENTRE ÁREAS DE COBERTURA
 
Un satélite haces múltiples como el Centenario debe ser capaz de interconectar las estaciones terrestres a las que da servicio que conforman una red y por tanto proporcionar interconexión entre áreas de cobertura. Teniendo en cuenta que se utilizan  transpondedores existen tres técnicas que permiten implementar la interconexión entre áreas de cobertura.
 
1.-TRANSPONDEDOR CONMUTABLE
 
El ancho de banda del sistema se divide en tantas particiones como enlaces ascendentes y descendentes de cada haz haya. En el satélite un conjunto de filtros separan las portadoras de acuerdo con la  sub-banda ocupada. La salida de cada filtro está conectada mediante un transpondedor a la antena del haz destino.

 

 

En este sistema es necesario utilizar un número de transpondedores y filtros al menos igual  al número de haces al cuadrado.
 
La capacidad ofrecida al tráfico puede variar entre haces dentro de la capacidad total del sistema modificándose las asignaciones de ancho de banda a cada partición y por tanto variando las conexiones entre filtros de entrada y transpondedores.
 
Esta operación se realiza por telecomando de acuerdo con las fluctuaciones de tráfico a largo plazo.
 
2.-SS/TDMA
La técnica de interconexión por el método transponder hopping (transpondedor conmutable)  es una solución cuando el número de haces es bajo pues el número de transpondedores y filtros es al menos igual   al número de haces al cuadrado.
 
Cuando hay un número elevado de haces hay que considerar la técnica SS/TDM.

 

 

 

La carga útil incluye una matriz de conmutación programable con un número de entradas y de salidas igual al número de haces. Esta matriz conecta cada enlace ascendente con uno descendente mediante un receptor y un transmisor.
La DCU (Distribution Control Unit) asociada a la matriz de conmutación establece una secuencia de conexiones entre cada entrada y cada salida de manera que las portadoras que llegan al satélite en cada haz son encaminadas a los haces destino.
La interconexión entre dos de los haces es cíclica, por lo que las estaciones deben almacenar el tráfico de los usuarios y transmitirlo en ráfagas cuando la interconexión requerida se lleve a cabo. Por lo tanto, esta técnica puede ser utilizada sólo con transmisiones digitales y acceso de tipo TDMA.

 

 

3.-BARRIDO DE HAZ (BEAM SCANNING)
 
Cada una de las áreas de cobertura se ilumina cíclicamente por un haz de orientación controlada por un BFN (Beam Forming Network), parte del subsistema de la antena a bordo del satélite.        

Las estaciones de las diferentes zonas transmiten o reciben sus ráfagas cuando el área es iluminada por un haz. En ausencia de memoria a bordo del satélite son necesarios al menos dos haces por unidad de tiempo, uno para establecer el enlace de subida y el otro para establecer el enlace de bajada. La duración de la iluminación es proporcional al volumen de tráfico entre dos áreas.
 
Con lo anterior, nos damos cuenta que el satélite Centenario trabaja con un sistema de barrido de haces, y posee un Sistema de Formación de Haces Pincel en Tierra GBBF (Ground Based Beam Forming) con cancelación adaptativa de frecuencias.
El sistema GBBF creará cientos de haces pincel pequeños, flexibles y adaptables en la tierra que permiten teléfonos móviles comunicarse directamente con el satélite con antenas más pequeñas, mayor velocidad y mejor rendimiento que nunca antes. Mientras que los rayos se proyectan a la tierra por el satélite, el sistema de tierra realiza el procesamiento de señal que forma el rayo.
 
GBBF tecnología trae tres beneficios importantes a los sistemas de satélite:
1.- Más rápido y menor costo de satélite porque el proceso es en el terreno, más que parte del sistema en el satélite
2.- Capacidad de coordinar la frecuencia de uso y eliminar interferencia para números grandes de suscriptores
3.- Reorientación de capacidad satelital a las áreas de mayor necesidad.
 
Se logra con esto contar con capacidad satelital a donde se requiera enfatizar
 
Otra aplicación posible es la derivación rápida y asequible de los haces pincel para proporcionar servicio a nuevos lugares mientras las unidades terrestres o marítimas se mueven.
 
El Sistema GBBF permite a los sistemas móviles satelitales,  la conformación de haces o celdas reutilizando frecuencias y multiplicando así la capacidad de comunicación. El GBBF puede ser considerado como un “despachador” en tierra que asigna segmentos de frecuencia (alterados en fase y amplitud) mediante software que hace al sistema, de antenas un arreglo inteligente y produce haces de diferentes contornos sobre la superficie terrestre
La huella del satélite se conforma de 122 haces con un ancho de haz cada uno de 0.25° y 2.2 MHz de ancho de banda por haz, con 17 grupos y cada grupo con 7 celdas, lo que en conjunto dan un total de 250 MHz de ancho de banda.

 

Arreglo de antenas de Banda L del satélite Centenario

 

Maqueta del satélite Centenario

 

El potencial que se prevé de un satélite de éstas características ofrece un panorama alentador a las poblaciones aisladas o poco comunicadas, donde además de llevar un medio de comunicación, éste al ser utilizado por programas sociales como salud, educación, protección civil y seguridad, ampliará la cobertura y mejorará la calidad de vida de los mexicanos.

 



Etiquetas: Antenas,Espaciales,Sistema

Revista Hacia El Espacio de divulgación de la ciencia y tecnología espacial de la Agencia Espacial Mexicana.




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