Estudio comparativo de servicio de internet satelital en diferentes escenarios de uso de servidor de caching

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(2) ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL. FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA. “ESTUDIO COMPARATIVO DE SERVICIO DE INTERNET SATELITAL EN DIFERENTES ESCENARIOS DE USO DE SERVIDOR DE CACHING”. PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO EN ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES. KAREN MARILÚ LÓPEZ CEVALLOS. DIRECTOR: ING. FREDY WLADIMIR LEMUS CRIOLLO, MSC.. CODIRECTOR: ING. FERNANDO FLORES. Quito, Agosto 2015.

(3) i. DECLARACIÓN. Yo, Karen Marilú López Cevallos, declaro bajo juramento que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento. A través de la presente declaración cedo mis derechos de propiedad intelectual correspondientes a este trabajo, a la Escuela Politécnica Nacional, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normatividad institucional vigente.. ______________________________ Karen Marilú López Cevallos.

(4) ii. CERTIFICACIÓN. Certificamos que el presente trabajo fue desarrollado por Karen Marilú López Cevallos, bajo nuestra supervisión.. ___________________________ Ing. Fredy Lemus, MSc. DIRECTOR DEL PROYECTO. ___________________________ Ing. Fernando Flores CODIRECTOR DEL PROYECTO.

(5) iii. AGRADECIMIENTO. A Dios por ser el dueño de mi vida y de mis días, por todas las bendiciones que ha derramado sobre mí hasta el día de hoy y por haberme guiado a tomar las decisiones que me han traído hasta aquí para culminar esta etapa importante de mi existencia. A mis amados padres Héctor y Sandra, gracias por todo el amor y cariño que siempre me han entregado y que sin duda es el motor que mueve mis días. Gracias por el maravilloso ejemplo que siempre me han dado y por haber hecho que cada día me sienta acompañada y apoyada. A mis muñequitos, mis hermanos, porque han sabido poner en mi vida la alegría y complicidad que me ha dado ánimo cada día para superarme. Gracias porque por ustedes me he esforzado siempre para ser un buen ejemplo. Gracias porque lejos o cerca siempre me han hecho sentir su cariño. A la persona que me ha dado su amor y apoyo incondicional Sebastián, gracias por haber estado a mi lado y encontrar siempre una palabra cuando lo necesito. Gracias por tu infinita paciencia. A la Escuela Politécnica Nacional por ser la mano que ha moldeado los conocimientos que ahora poseo, los cuales han sido la herramienta clave para culminar con éxito este proyecto. A la empresa Level3, especialmente a mi director de tesis el MSc. Fredy Lemus y a Pablito Barriga quienes me han dedicado su tiempo y han compartido conmigo un poquito de la grandísima experiencia que poseen. Gracias desde el fondo de mi corazón a todas mis amigas y mis amigos quienes han sido parte de esta maravillosa etapa. Estoy infinitamente agradecida por las hermosas experiencias que hemos compartido, por cada sonrisa y por las largas horas de estudio juntos, todo ha valido la pena.. Karen López.

(6) iv. DEDICATORIA. Con todo mi amor: A mis padres Héctor y Sandra y a mis hermanos André y Mateo. Karen López.

(7) v. CONTENIDO ÍNDICE DE FIGURAS ............................................................................................ x ÍNDICE DE TABLAS .......................................................................................... xiii RESUMEN ........................................................................................................... xv PRESENTACIÓN ............................................................................................... xvi CAPÍTULO 1 .......................................................................................................... 1 1. ESTUDIO TEÓRICO DE LOS ENLACES DE INTERNET SATELITAL Y SOLUCIONES DE CACHING ................................................................................ 1 INTRODUCCIÓN .......................................................................................... 1 FUNDAMENTOS TEÓRICOS DE ENLACES SATELITALES ....................... 1 1.2.1 ENLACE SATELITAL [1] ........................................................................ 1 1.2.2 CARACTERÍSTICAS DEL USO DE ENLACES SATELITALES ............. 2 1.2.3 ÓRBITAS SATELITALES ....................................................................... 3 Tipos de órbitas según la altura ....................................................... 3 Tipos de órbitas según su recorrido y trayectoria ............................. 9 1.2.4 ELEMENTOS DE UN ENLACE SATELITAL .......................................... 9 Satélite [5] ....................................................................................... 9 1.2.4.1.1 Tipos de satélites [5] ................................................................. 9 1.2.4.1.2 Componentes de un Satélite ................................................... 10 Estaciones Terrenas [10] ............................................................... 16 1.2.4.2.1 Funciones de la estación terrena ............................................ 17 1.2.4.2.2 Estructura de una estación terrena [7] ..................................... 17 1.2.5 ÁNGULOS VISUALES DE UNA ANTENA [3]....................................... 20 Ángulo de elevación [5, 6].............................................................. 21 Ángulo de Azimut [5, 6] .................................................................. 21 1.2.6 ESPACIAMIENTO Y BANDAS DE FRECUENCIAS ............................. 22 Espaciamiento [5] .......................................................................... 22 Banda de frecuencias [1, 3, 4] ....................................................... 23 1.2.7 PATRONES DE RADIACIÓN SATELITAL (FOOTPRINT) [5]............... 25 Tipos de patrones de radiación [5] ................................................. 26 FUNDAMENTOS TEÓRICOS DE CACHING ............................................. 27 1.3.1 SERVICIOS DE CACHÉ [12] ............................................................... 27 Caché Web [13] ............................................................................. 27 Características de uso de servidores proxy caché [13] .................. 28 Topología de red ........................................................................... 29 Tipos de caché web ....................................................................... 29.

(8) vi. Arquitecturas caché ....................................................................... 30 1.3.1.5.1 Caché Jerárquico .................................................................... 31 1.3.1.5.2 Caché Distribuido .................................................................... 31 1.3.1.5.3 Caché Híbrido ......................................................................... 31 Protocolos Intercachés [13] ........................................................... 32 1.3.1.6.1 IPC (Internet Cache Protocol) ................................................. 32 1.3.1.6.2 CARP (Cache Array Routing Protocol) .................................... 33 1.3.1.6.3 HTCP (HyperText Caching Protocol) ....................................... 33 CAPÍTULO 2 ........................................................................................................ 34 2. PLANTEAMIENTO DE ESCENARIOS DE PRUEBAS ..................................... 34 TECNOLOGÍA SATELITAL IDIRECT ......................................................... 34 2.1.1 TECNOLOGÍA IDIRECT ...................................................................... 34 Características de la tecnología iDirect .......................................... 34 Hub Satelital iDirect [15] ................................................................ 35 Topología Estrella iDirect ............................................................... 37 Arquitectura de la tecnología iDirect .............................................. 38 Uplink y Downlink .......................................................................... 39 Red iDirect para Ecuador [18] ........................................................ 40 2.1.2 EQUIPAMIENTO UTILIZADO DE LA RED IDIRECT ........................... 42 Indoor Device Unit (IDU) [15] ......................................................... 42 Outdoor Device Unit (ODU) [15, 16] .............................................. 44 Antena Remota [15] ....................................................................... 44 2.1.3 IMPLEMENTACION DE UN ENLACE SATELITAL .............................. 45 Procedimiento de instalación de Hardware .................................... 45 2.1.3.1.1 Instalación de la IDU iDirect .................................................... 46 2.1.3.1.2 Configuración de la IDU [16] ................................................... 47 2.1.3.1.3 Instalación de la antena y ODU y diagrama de conexión ........ 49 Apuntamiento de la estación iDirect remota ................................... 49 2.1.4 PERFILES SATELITALES O NIVELES DE SERVICIO ........................ 51 SERVIDORES FORTINET ......................................................................... 54 2.2.1 CARACTERÍSTICAS DE FORTINET ................................................... 54 2.2.2 ARQUITECTURA FORTINET [23, 24] ................................................. 55 2.2.3 EQUIPOS FORTIGATE 100-200 SERIES [24] ..................................... 56 Equipo Utilizado ............................................................................. 58 Administración del equipo .............................................................. 60 2.2.4 FUNCIONES DEL FORTIGATE 100D UTILIZADAS ............................ 62.

(9) vii. Servidor de caché web [26] ........................................................... 62 Optimización WAN [26] .................................................................. 63 USO DE CACHING EN ENLACES SATELITALES ..................................... 64 2.3.1 PROBLEMÁTICA DE ENLACES SATELITALES ................................. 64 2.3.2 NAVEGACIÓN MEDIANTE INTERNET SATELITAL ............................ 65 2.3.3 SOLUCIÓN SIN Y CON USO DE SERVIDORES CACHÉ ................... 66 CAPÍTULO 3 ........................................................................................................ 69 3.. DESARROLLO DE PRUEBAS ...................................................................... 69 IMPLEMENTACIÓN DEL ENLACE PARA PRUEBAS ................................ 69 3.1.1 IMPLEMENTACIÓN SATELITAL ......................................................... 69 Instalación y configuración de la IDU utilizada ............................... 69 Instalación de la antena y ODU ..................................................... 71 Apuntamiento de la antena de la estación remota ......................... 72 3.1.2 CONFIGURACIÓN DE FORTIGATE 100D .......................................... 73 Configuración de las interfaces del FortiGate 100D ....................... 74 Configuración de la política de navegación en el FortiGate 100D .. 76 3.1.3 DIAGRAMA GENERAL ........................................................................ 78 PRUEBAS REALIZADAS ........................................................................... 78 3.2.1 OBJETOS DE MEDICIÓN Y ESTUDIO ................................................ 78 Perfiles Satelitales ......................................................................... 78 Sitios WEB..................................................................................... 79 Horas pico y horas valle................................................................. 82 Tablas estándar de medición ......................................................... 83 3.2.2 HERRAMIENTAS UTILIZADAS ........................................................... 85 HttpWatch [26] ............................................................................... 85 Download Status Bar [28] .............................................................. 87 Webpagetest [29]........................................................................... 88 3.2.3 MODELO DE REALIZACIÓN DE PRUEBAS ....................................... 90 Modelo de pruebas de almacenamiento caché .............................. 90 3.2.4 RESULTADOS ..................................................................................... 92 Tabla de mediciones con perfil Extend IP Lite a 1024Kbps............ 93 Tabla de mediciones con perfil Extend IP Business Lite a 1024Kbps .................................................................................................................. 94 Tabla de mediciones con perfil Extend IP Business a 512Kbps ..... 95 Tabla de mediciones con perfil Extend IP Business a 1024Kbps ... 96 Tabla de mediciones con perfil Extend IP Intensive a 512Kbps ..... 97 Tabla de mediciones con perfil Extend IP Intensive a 1024Kbps ... 98.

(10) viii. Tabla de mediciones con perfil Extend IP Intensive Plus a 512Kbps .................................................................................................................. 99 Tabla de mediciones con perfil Extend IP Intensive Plus a 1024Kbps ................................................................................................ 100 Tabla de mediciones con perfil Extend IP Intensive Plus a 2048Kbps ................................................................................................ 101 CAPÍTULO 4 ...................................................................................................... 102 4.. EVALUACIÓN COMPARATIVA Y ANÁLISIS COSTO/BENEFICIO ............ 102 4.1.. EVALUACIÓN DE RESULTADOS POR CAPACIDAD DEL ENLACE .. 102. 4.1.1. ANÁLISIS DE LA CAPACIDAD SATELITAL SOBRE LA PRUEBA “PRIMERA SOLICITUD - SOLO SATELITAL” ............................................. 103 4.1.2. ANÁLISIS DEL IMPACTO DE LOS ESCENARIOS DE PRUEBA EN EL USO DE LA CAPACIDAD DEL ENLACE SATELITAL ........................... 107 Análisis del impacto de los escenarios de prueba en el uso de la capacidad del enlace satelital para la categoría “Streaming de video” ..... 108 Análisis del impacto de los escenarios de prueba en el uso de la capacidad del enlace satelital para la categoría “Consulta” ..................... 111 Análisis del impacto de los escenarios de prueba en el uso de la capacidad del enlace satelital para la categoría “Google” ........................ 113 Análisis del impacto de los escenarios de prueba en el uso de la capacidad del enlace satelital para la categoría “Redes Sociales” .......... 116 Análisis del impacto de los escenarios de prueba en el uso de la capacidad del enlace satelital para la categoría “Descarga de archivos” . 118 Análisis del impacto de los escenarios de prueba en el uso de la capacidad del enlace satelital para la categoría “Transaccional” ............. 120 Análisis del impacto de los escenarios de prueba en el uso de la capacidad del enlace satelital para la categoría “Medios” ........................ 122 EVALUACIÓN DE IMPACTO DE USO DE CACHING .............................. 124 4.2.1 ANÁLISIS DE NAVEGACIÓN POR IMPACTO DE USO DE CACHING SOBRE LA CATEGORÍA “STREAMING DE VIDEO” .................................. 125 4.2.2 ANÁLISIS DE NAVEGACIÓN POR IMPACTO DE USO DE CACHING SOBRE LA CATEGORÍA “BÚSQUEDAS”................................................... 128 4.2.3 ANÁLISIS DE NAVEGACIÓN POR IMPACTO DE USO DE CACHING SOBRE LA CATEGORÍA “DESCARGA DE VIDEO” ................................... 129 4.2.4 ANÁLISIS DE NAVEGACIÓN POR IMPACTO DE USO DE CACHING SOBRE LA CATEGORÍA “MEDIOS” ........................................................... 131 4.2.5 ANÁLISIS DE NAVEGACIÓN POR IMPACTO DE USO DE CACHING SOBRE EL PROmeDIO TOTAL DE LAS CATEGORÍAS PROBADAS ....... 133 ANÁLISIS COSTO/BENEFICIO ................................................................ 135 CAPÍTULO 5 ...................................................................................................... 143 5.. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .............................................. 143.

(11) ix. 5.1.. CONCLUSIONES ................................................................................ 143. 5.2.. RECOMENDACIONES ........................................................................ 147.

(12) x. ÍNDICE DE FIGURAS. Figura 1.1 Enlace Satelital..................................................................................... 2 Figura 1.2 Órbita Geosíncrona GEO [3] ................................................................ 5 Figura 1.3 Órbita Media MEO [3] ........................................................................... 6 Figura 1.4 Órbita baja LEO [3] ............................................................................... 7 Figura 1.5 Órbita muy excéntrica HEO [3] ............................................................. 8 Figura 1.6 Componentes de un satélite ............................................................... 12 Figura 1.7 Satélite con estabilización de giro [9] .................................................. 13 Figura 1.8 Estructura física del satélite [3] ........................................................... 14 Figura 1.9 Estructura de la estación terrena [6] ................................................... 18 Figura 1.10 Ángulos visuales de una antena [5] .................................................. 22 Figura 1.11 Espaciamiento Satelital .................................................................... 23 Figura 1.12 Huellas satelitales [5] ........................................................................ 26 Figura 1.13 Topología de red usando un servidor proxy caché ........................... 29 Figura 1.14 Arquitectura caché ........................................................................... 32 Figura 2.1 Hub iDirect, servidores incorporados y tarjeta vertical [15] ................. 36 Figura 2.2 Interconexión del Hub con las estaciones remotas [15] ...................... 37 Figura 2.3 Arquitectura iDirect [16] ...................................................................... 38 Figura 2.4 Canales Uplink y Downlink del Hub utilizado [17] ............................... 39 Figura 2.5 Arquitectura de la red satelital iDirect en Ecuador [18] ....................... 40 Figura 2.6 Footprint para los satélites IS-14 y NSS-10 para banda C [18] ........... 41 Figura 2.7 Footprint para el satélite AMC-4 para banda Ku [18] .......................... 42 Figura 2.8 IDU de iDirect ..................................................................................... 43 Figura 2.9 ODU de iDirect ................................................................................... 44 Figura 2.10 Antena parabólica utilizada............................................................... 45 Figura 2.11 Configuración de la IDU ................................................................... 48 Figura 2.12 Diagrama de conexión de la estación remota [16] ............................ 49 Figura 2.13 Gráficos obtenidos del apuntamiento de la estación remota ............. 50 Figura 2.14 Características de los perfiles satelitales de iDirect .......................... 53 Figura 2.15 Desempeño de la arquitectura Fortinet [23] ...................................... 55 Figura 2.16 Funcionalidades del FortiGate 100D [24].......................................... 58 Figura 2.17 Leds del FortiGate 100D [24] ............................................................ 59 Figura 2.18 Puertos del FortiGate 100D [24] ....................................................... 59 Figura 2.19 Administración del FortiGate 100D [24] ............................................ 61 Figura 2.20 Conexión a Internet del FortiGate 100D [24] .................................... 61 Figura 2.21 Topología de Caché Web con FortiGate 100D [26] .......................... 63 Figura 2.22 Topología de Optimización WAN con FortiGate 100D [26] ............... 64 Figura 2.23 Escenario A, sin servidor caché ....................................................... 67 Figura 2.24 Escenario B, con servidor caché ...................................................... 67 Figura 3.1 Rack de comunicaciones donde está instalada la IDU ....................... 70 Figura 3.2 Configuración de la IDU usada ........................................................... 71 Figura 3.3 Estación remota instalada para pruebas ............................................ 72 Figura 3.4 Apuntamiento de la estación remota .................................................. 73 Figura 3.5 Inicio de servidor FortiGate 100D ....................................................... 74 Figura 3.6 Configuración de las interfaces del FortiGate 100D usado ................. 75 Figura 3.7 Configuración de DHCP de la interfaz LAN ........................................ 75 Figura 3.8 Ruta estática por defecto aplicada en el FortiGate usado ................... 76.

(13) xi. Figura 3.9 Configuración de política de navegación ............................................ 77 Figura 3.10 Diagrama General del enlace de pruebas ........................................ 78 Figura 3.11 Horas pico y horas valle ................................................................... 82 Figura 3.12 HttpWatch usado mientras se navega .............................................. 86 Figura 3.13 Download Status Bar de Mozilla ....................................................... 88 Figura 3.14 Resultado de una consulta en Webpagetest.org .............................. 89 Figura 3.15 Toma de datos de la primera prueba para llenar el campo “Web Tester (WEBPAGETEST.ORG)” .................................................................. 90 Figura 3.16 Toma de datos de la segunda prueba para llenar el campo “Primera Solicitud - Solo Satelital”.................................................................... 91 Figura 3.17 Toma de datos para las categorías “Streaming de video” y “Descarga de archivos”....................................................................................... 92 Figura 4.1 Gráfico de línea de la variación de tiempo promedio por categoría para la prueba “Primera solicitud – Sólo Satelital” ................................... 104 Figura 4.2 Gráfico de línea de la variación de tiempo promedio total por perfil para la prueba “Primera solicitud – Sólo Satelital” ................................... 105 Figura 4.3 Gráfico de línea de la variación de tiempo promedio por prueba y por perfil para la categoría “Streaming de Video” .................................. 109 Figura 4.4 Gráfico de línea de la variación de tiempo promedio total por prueba para cada perfil para la categoría “Streaming de Video” .................. 109 Figura 4.5 Gráfico de línea de la variación de tiempo promedio por prueba y por perfil para la categoría “Consulta” ................................................... 111 Figura 4.6 Gráfico de línea de la variación de tiempo promedio total por prueba para cada perfil para la categoría “Consulta” ................................... 112 Figura 4.7 Gráfico de línea de la variación de tiempo promedio por prueba y por perfil para la categoría “Google” ...................................................... 114 Figura 4.8 Gráfico de línea de la variación de tiempo promedio total por prueba para cada perfil para la categoría “Google” ..................................... 114 Figura 4.9 Gráfico de línea de la variación de tiempo promedio por prueba y por perfil para la categoría “Redes Sociales” ......................................... 116 Figura 4.10 Gráfico de línea de la variación de tiempo promedio total por prueba para cada perfil para la categoría “Redes Sociales” ........................ 117 Figura 4.11 Gráfico de línea de la variación de tiempo promedio por prueba y por perfil para la categoría “Descarga de Archivos” ............................... 119 Figura 4.12 Gráfico de línea de la variación de tiempo promedio total por prueba para cada perfil para la categoría “Descarga de archivos” .............. 119 Figura 4.13 Gráfico de línea de la variación de tiempo promedio por prueba y por perfil para la categoría “Transaccional” ........................................... 121 Figura 4.14 Gráfico de línea de la variación de tiempo promedio total por prueba para cada perfil para la categoría “Transaccional” ........................... 121 Figura 4.15 Gráfico de línea de la variación de tiempo promedio por prueba y por perfil para la categoría “Medios” ...................................................... 123 Figura 4.16 Gráfico de línea de la variación de tiempo promedio total por prueba para cada perfil para la categoría “Medios” ..................................... 123 Figura 4.17 Gráfico de línea de la variación del porcentaje de impacto de uso de caching por prueba para la categoría “Streaming de video” ........... 127 Figura 4.18 Gráfico de línea de la variación de porcentaje de impacto de uso de caching por prueba para la categoría “Búsquedas” ........................ 128.

(14) xii. Figura 4.19 Gráfico de línea de la variación de impacto de uso de caching por prueba para la categoría “Descarga de Video” ............................... 130 Figura 4.20 Gráfico de línea de la variación de impacto de uso de caching por prueba para la categoría “Medios” .................................................. 132 Figura 4.21 Gráfico de línea de la variación del porcentaje de impacto de uso de caching por prueba para cada categoría ......................................... 134 Figura 4.22 Gráfico de línea de la variación del porcentaje de impacto de uso de caching promedio total por prueba .................................................. 134 Figura 4.23 Variación gráfica Costo – Beneficio por categoría .......................... 138 Figura 4.24 Variación gráfica Costo – Beneficio para la categoría “Streaming de Video” .............................................................................................. 139 Figura 4.25 Comparación de beneficio obtenido con el uso del servidor FortiGate 100D ............................................................................................... 141.

(15) xiii. ÍNDICE DE TABLAS. Tabla 1.1 Órbitas Satelitales según la altura .......................................................... 8 Tabla 1.2 Bandas de frecuencia [11] ................................................................... 25 Tabla 2.1 Satélites usados en la tecnología iDirect [19] ....................................... 41 Tabla 2.2 Estado de los leds de la IDU [15] ......................................................... 47 Tabla 2.3 Perfiles Satelitales iDirect .................................................................... 51 Tabla 3.1 Perfiles satelitales planteados para las pruebas .................................. 79 Tabla 3.2 (Parte 1) Sitios Web utilizados para las pruebas .................................. 80 Tabla 3.3 Tabla estándar de medición de pruebas sin y con uso de servidor de caching.............................................................................................. 84 Tabla 3.4 Mediciones tomadas con perfil Extend IP Lite a 1024Kbps .................. 93 Tabla 3.5 Mediciones tomadas con perfil Extend IP Business Lite a 1024Kbps ... 94 Tabla 3.6 Mediciones tomadas con perfil Extend IP Business a 512Kbps ........... 95 Tabla 3.7 Mediciones tomadas con perfil Extend IP Business a 1024Kbps ......... 96 Tabla 3.8 Mediciones tomadas con perfil Extend IP Intensive a 512Kbps ........... 97 Tabla 3.9 Mediciones tomadas con perfil Extend IP Intensive a 1024Kbps.......... 98 Tabla 3.10 Mediciones tomadas con perfil Extend IP Intensive Plus a 512Kbps .. 99 Tabla 3.11 Mediciones tomadas con perfil Extend IP Intensive Plus a 1024Kbps ........................................................................................................ 100 Tabla 3.12 Mediciones tomadas con perfil Extend IP Intensive Plus a 2048Kbps ........................................................................................................ 101 Tabla 4.1 Valores promedio por categoría y por perfil para la prueba “Primera solicitud – Sólo Satelital” ................................................................. 103 Tabla 4.2 Valores promedio por prueba y por perfil para la categoría “Streaming de video” ......................................................................................... 108 Tabla 4.3 Capacidad efectiva de los perfiles satelitales usados ......................... 110 Tabla 4.4 Valores promedio por prueba y por perfil para la categoría “Consulta” ........................................................................................................ 111 Tabla 4.5 Valores promedio por prueba y por perfil para la categoría “Google” . 113 Tabla 4.6 Valores promedio por prueba y por perfil para la categoría “Redes Sociales” ......................................................................................... 116 Tabla 4.7 Valores promedio por prueba y por perfil para la categoría “Descarga de archivos” ......................................................................................... 118 Tabla 4.8 Valores promedio por prueba y por perfil para la categoría “Transaccional” ............................................................................... 120 Tabla 4.9 Valores promedio por prueba y por perfil para la categoría “Medios” . 122 Tabla 4.10 Valores promedio por perfil satelital y por prueba para la categoría “Streaming de video” ....................................................................... 126 Tabla 4.11 Valores promedio por perfil satelital y por prueba para la categoría “Búsquedas” .................................................................................... 128 Tabla 4.12 Valores promedio por perfil satelital y por prueba para la categoría “Descarga de Video” ....................................................................... 130 Tabla 4.13 Valores promedio por perfil satelital y por prueba para la categoría “Medios” .......................................................................................... 131 Tabla 4.14 Porcentajes promedio total de todas las categorías por prueba ....... 133 Tabla 4.15 Costos de Capex y Opex por perfil satelital ...................................... 137.

(16) xiv. Tabla 4.16 Tiempos de respuesta y costo mensual del servicio para cada perfil satelital para las categorías “Streaming de Video” y “Descarga de archivos” ......................................................................................... 138.

(17) xv. RESUMEN El presente proyecto consiste en el estudio comparativo de servicio de internet satelital en diferentes escenarios de uso de servidor de caching y surge de la necesidad de optimizar la utilización de recursos de un enlace que provee el servicio de internet vía satélite contratado por clientes que se encuentran en lugares geográficamente inaccesibles en el país, pues el mismo es costoso por los precios de las capacidades satelital y adicionalmente desde el punto de vista del usuario es lenta por los retardos inherentes a la red satelital. El uso de un servidor de caché en el lado de la estación satelital remota (ubicada en el cliente), permite almacenar estadísticamente los objetos que son solicitados por el cliente, de tal manera que las solicitudes HTTP que realice el usuario se dirijan en primera instancia al caché web para ofrecer resultados más rápidos en las búsquedas, sin tener que salir al internet, lo cual mejora la experiencia del usuario final. Se realizará el estudio teórico del funcionamiento de un enlace de internet satelital bidireccional y el impacto de un servidor de proxy caché en las características del servicio lo que permitirá concluir cuáles son las características óptimas que cada uno debe presentar para trabajar en conjunto y su modo de uso. Con base en el estudio teórico se desarrollará el diseño de una solución de internet vía satélite y se evaluará con diferentes configuraciones el desempeño del enlace satelital para internet con el uso del servidor de caching, variando las opciones de consumo de capacidad satelital y el tiempo de respuesta del enlace durante la navegación en la red mediante pruebas y mediciones de los parámetros relevantes, sin el uso del servidor de caché y con el uso del mismo, estas mediciones permitirán evaluar el rendimiento del sistema tanto desde el punto de vista del proveedor como la experiencia del usuario final, adicionalmente se realizará un análisis de costo / beneficio desde las perspectivas anteriormente mencionadas..

(18) xvi. PRESENTACIÓN El presente proyecto se desarrolla con el fin de optimizar el uso de recursos de un enlace de internet satelital y por ende reducir costos para el proveedor, lo que se refleja en mejores tarifas para el usuario, al tiempo que permite mejorar la experiencia del usuario final con percepción de mayor velocidad y menor retardo de tiempo. En este escrito se presentan 5 capítulos los cuales se detallan a continuación: En el primer capítulo se realiza un estudio teórico general de los fundamentos teóricos de un enlace satelital utilizado para servicios de internet y de las soluciones de proxy caché, en cuanto a sus conceptos básicos, descripción de su funcionamiento, modos de uso, características. En el segundo capítulo se realiza el planteamiento y detalle de dos escenarios básicos de funcionamiento del sistema, sobre los cuales se realizarán las pruebas y mediciones del desempeño del mismo. En el tercer capítulo se efectuarán las pruebas del funcionamiento del sistema navegando en un enlace de internet satelital a manera de usuario final, utilizando distintos perfiles, en los que varía la capacidad del mismo y adicionalmente se utilizarán distintos tipos de contenido. En estas pruebas se tomará como parámetro base el tiempo de carga de una determinada página. En el cuarto capítulo se realizará un análisis comparativo de los resultados de distintos parámetros que permitan evaluar el funcionamiento del sistema con y sin el uso de caching, adicionalmente se realizará el estudio costo/beneficio que representa el uso de caching en el enlace. Finalmente, en el capítulo quinto se definen las conclusiones que se hayan obtenido de la realización del proyecto y las recomendaciones que sean necesarias, tanto desde el punto de vista del servicio como del usuario final..

(19) 1. CAPÍTULO 1 1. ESTUDIO TEÓRICO DE LOS ENLACES DE INTERNET SATELITAL Y SOLUCIONES DE CACHING INTRODUCCIÓN La navegación a través de sistemas de internet vía satélite es efectiva debido a que permite ser utilizada en zonas geográficas en las cuales no existe accesibilidad con otro tipo de medio de transmisión, y a las amplias capacidades que la comunicación satelital ofrece, sin embargo esta es costosa y puede percibirse como lenta debido a los retardos propios de la tecnología satelital. Mediante el uso de un servidor de caching ubicado luego de la estación remota se puede almacenar información de tal manera que las búsquedas sean locales y así optimizar el uso de recursos. En este capítulo se realizará un estudio generalizado de los fundamentos teóricos que describen un enlace satelital utilizado para brindar servicios de internet y de las soluciones de caching, en cuanto a sus conceptos básicos, descripción de su funcionamiento, modos de uso, características, ventajas y parámetros principales.. FUNDAMENTOS TEÓRICOS DE ENLACES SATELITALES. 1.2.1 ENLACE SATELITAL [1] El enlace o red satelital se define como el sistema que permite que se envíen y reciban las señales transmitidas desde una estación terrena/hub, hacia el satélite y desde éste a la estación remota, la cual está ubicada en el usuario final del sistema, esto se realiza también bidireccionalmente y se puede apreciar en la Figura 1.1..

(20) 2. Figura 1.1 Enlace Satelital Un satélite artificial es un dispositivo radioeléctrico receptor/transmisor que se ubica en una determinada órbita, el cual se encarga de recibir ondas de radio que se generan en la Tierra, las pasa por procesos de amplificación y regeneración (en caso de ser necesario) y las envía nuevamente hacia la Tierra en cualquier dirección. En ocasiones las señales también pueden ser enviadas hacia otros satélites. La característica más notable de un enlace satelital y aquella por la cual es muy utilizado, es “el hecho de poder emitir desde un satélite de comunicación una señal que pueda recibirse con intensidad similar y simultáneamente en cualquier punto de una gran superficie geográfica”. [1]. 1.2.2 CARACTERÍSTICAS DEL USO DE ENLACES SATELITALES El uso de enlaces satelitales ofrece muchas características que pueden considerarse ventajas siempre que las estaciones estén dentro del footprint satelital1, las cuales hacen que este medio de transmisión sea muy útil para todo tipo de comunicaciones, entre las más sobresalientes tenemos las siguientes [2]: · Tienen un costo independiente de la distancia que se quiere alcanzar con el enlace. · Permiten establecer enlaces multipunto o punto a punto y admiten la transmisión de múltiples señales de manera simultánea. 1. Footprint Satelital: Se define en la sección 1.2.7.

(21) 3. · Ofrecen una capacidad considerable. · Tienen una amplia cobertura geográfica, la cual está supeditada a la huella del satélite. · No se ven afectado por barreras naturales. · Permiten ofrecer servicios a zonas de difícil accesibilidad, zonas rurales y poco pobladas. · Ofrecen un despliegue rápido de redes de comunicaciones una vez puestos en órbita. · Brindan facilidad para establecer nuevos mercados y modelos de negocio. · No presentan limitación en cuanto al tipo de servicios que ofrecen.. 1.2.3 ÓRBITAS SATELITALES Los satélites se pueden mantener en órbita gracias a que su rotación en torno a la Tierra genera fuerzas centrífugas y éstas son equilibradas con la atracción gravitacional que ejerce el planeta. Las órbitas satelitales se pueden clasificar según varios parámetros, los más importantes son: la altura a la que se ubican en el espacio sobre la superficie terrestre; la forma, según ella pueden ser elípticas o circulares; el recorrido que toman, según esto se clasifican en órbita circular polar, elíptica inclinada y circular ecuatorial. Esto determinará de forma decisiva el área terrenal que abarcará el haz que se envíe desde el satélite.. Tipos de órbitas según la altura Las órbitas según la altura se clasifican desde la más alta hasta la más baja en: ·. Órbita Geosíncrona (Geosynchronous Earth Orbit) [1]: Es una órbita que. tiene forma circular y que se ubica aproximadamente a 36000Km sobre la superficie terrestre, tiene un período de rotación de 24 horas y trabaja en el espectro de frecuencias de 2 a 18GHz..

(22) 4. Para que un satélite se mantenga en esta órbita debe estar en órbita paralela al plano ecuatorial, debe recorrer su órbita en la misma dirección rotacional del planeta y además con el mismo período rotacional, un día. Un satélite en esta órbita visto desde la Tierra parece estar fijo, por lo que se le conoce como estacionario y abarca aproximadamente un ángulo visual de 17º, lo que medido sobre la superficie terrestre en grados de los meridianos equivale entre 140 y 150º, entonces para tener un sistema de cobertura global se requiere al menos tres satélites en esta órbita y así abarcar todo el planeta. Las características de estas órbitas se muestran resumidas en la figura 1.2. Las antenas de las estaciones remotas fijas cuentan con un haz muy agudo por lo que es necesario que el satélite se mantenga en una sola posición con el fin de evitar la pérdida de potencia entre las señales que se emiten y reciben. En caso de que suceda se requiere invertir en sistemas de rastreo o seguimiento del satélite, lo que les permite mantenerse suficientemente alejados (entre 800 y 1600km en banda K y C respectivamente). Ventajas: Un satélite al ocupar una posición fija en esta órbita puede comunicarse con estaciones terrenas de apuntamiento fijo (dentro de su zona de cobertura), estas cuentan con haces altamente concentrados, aumentando la potencia que reciben del satélite como la que envían al mismo. De esta manera se puede usar un mínimo de energía radiada por cualquier elemento de la red satelital y obtener una comunicación de alta calidad, gracias a su concentración, la cual radica dentro de un ángulo de 1º de arco o menos. [1] Otra ventaja es el hecho de que la agudeza de los haces de las estaciones remotas terrenas no permite que su radiación cause interferencia con satélites vecinos, con lo que además se optimiza los recursos y aumenta la capacidad de comunicaciones que se pueden establecer. Por último otra importante ventaja es que las antenas de las estaciones que trabajan con satélites geosíncronos son fijas, no necesitan de elementos o motores de movilidad automática, lo que las hace menos costosas, solamente necesitan ser apuntadas una única vez (a excepción de casos fortuitos en los que las mismas pierdan apuntamiento hacia el satélite)..

(23) 5. Figura 1.2 Órbita Geosíncrona GEO [3] ·. Órbita Media (Medium Earth Orbit) [3] [4]: Tiene forma circular y está. ubicada a aproximadamente entre 10000Km y 20000Km de la superficie de la Tierra. Tiene un período rotacional de entre 5 y 6 horas y utiliza una banda de frecuencias de 1.2 a 1.66GHz. La posición relativa de los satélites en estas órbitas ya no es fija y al estar ubicados a una altura menor, se requiere un número mayor de ellos para cubrir en su totalidad a la superficie terrestre, cerca de diez. Las características de estas órbitas se muestran resumidas en la figura 1.3. Son muy usados con fines meteorológicos, navegación, sensores remotos y aplicaciones de determinación de posición. Ventajas: Al estar más cerca de la superficie terrestre, poseen una reducción considerable en los tiempos de respuesta del enlace satelital en conjunto (latencia), pues las ondas enviadas y recibidas desde y hacia Tierra recorren un distancia menor. Otra ventaja de colocar satélites sobre esta órbita consiste en que el movimiento relativo a la superficie terrestre es mucho más lento que aquellos que se colocan en la órbita más baja y esto trae como consecuencia que el traspaso entre celdas aparezca con menos frecuencia. Un satélite en esta órbita provee de una a dos horas de tiempo de observación desde una estación terrena en una posición determinada..

(24) 6. Figura 1.3 Órbita Media MEO [3] ·. Órbita baja (Low Earth Orbit) [3] [4]: Es una órbita con forma circular, la cual. se ubica a una distancia aproximada de entre los 500Km y 1600Km sobre el plano de la Tierra. Tiene un período rotacional de 1 hora y 45 minutos y trabaja en el espectro de frecuencias que abarca desde 1.0 a 2.5 GHz. Debido a que estos satélites están más cercanos a la superficie terrestre se requiere un número de ellos mayor para cubrirla en su totalidad, al menos se debe ubicar en ella a 50 satélites. El tiempo que un satélite ubicado en esta órbita permanece fijo con respecto a la superficie del planeta es mucho más pequeño debido a la cercanía con ella, es de cerca de 15 minutos. Las características de estas órbitas se muestran resumidas en la figura 1.4. En esta órbita se experimenta ingravidez, debido a que la gravedad de la misma es muy cercana a la de la Tierra (se reduce apenas 1% cada 30Km). Los satélites ubicados en esta órbita pueden ser de tres tipos, los “pequeños” que son aquellos que se utilizan para aplicaciones de un ancho de banda bajo, los “grandes” que se usan además para comunicaciones celulares y transmisión de datos y los “de banda ancha” los cuales alcanzan capacidades de Mbps. Ventajas: La ventaja más sobresaliente de ubicar satélites en esta órbita es que son los que experimentan la menor pérdida de trayectoria entre las estaciones terrestres y los vehículos espaciales, es decir, requieren potencias de transmisión menores, equipamiento de menor tamaño y peso como antenas más pequeñas, perciben menor pérdida de señal. Adicionalmente presentan tiempos de respuesta.

(25) 7. considerablemente más cortos, lo que significa que el retardo de propagación de las ondas sea menor. Otra ventaja notable que presenta esta órbita es que los satélites que están en ella optimizan el uso de recursos, pues su fabricación es menos costosa debido que requieren una electrónica menos compleja y además de necesitar menor potencia de transmisión también requieren menor energía para ser lanzados y ubicados en órbita.. Figura 1.4 Órbita baja LEO [3] ·. Órbita muy excéntrica (Highly Elliptical Orbit) [3]: Es una órbita que tiene. forma elíptica y que se usa para proveer cobertura a mayores altitudes que la órbita geosíncrona, aproximadamente a 39400Km sobre la Tierra. Se le conoce también como órbita muy elíptica y tiene un período orbital de 11 horas y 58 minutos. Las características de estas órbitas se muestran resumidas en la figura 1.5. Ventaja: Tiene un ángulo de cobertura muy amplio en áreas polares del norte, por ejemplo la órbita Molniya se ha diseñado para proveer cobertura en latitudes que están altamente al norte cubriendo la mayor parte del territorio de la Unión Soviética (área que no puede ser alcanzada con satélites geoestacionarios). Al tener un período orbital de cerca de 12 horas repite su rotación alrededor de la Tierra dos veces al día de tal manera que pasa cerca de diez horas sobre el hemisferio norte y solamente dos horas sobre el hemisferio sur..

(26) 8. Figura 1.5 Órbita muy excéntrica HEO [3] A continuación se muestra la tabla 1.1 en la que se han resumido las características de las órbitas satelitales: Tabla 1.1 Órbitas Satelitales según la altura. Órbita. Geosíncrona (GEO). Media (MEO). Baja (LEO). Muy Excéntrica (HEO). Período Rotacional. Usos. 24 horas. Satélites de comunicación y de transmisión de televisión. Entre 1000Km a 2000Km. Al estar más cerca de la Tierra, los satélites en esta órbita presentan una reducción considerable en los tiempos de respuesta (latencia), pues las ondas enviadas y recibidas desde y hacia Tierra recorren una distancia menor.. de 5 a 6 horas. Meteorológicos, navegación y aplicaciones de determinación de posición.. Entre 500Km y 1600Km. La ventaja más sobresaliente de ubicar satélites en esta órbita es que son los que experimentan la menor pérdida de trayectoria entre las estaciones terrestres y los vehículos espaciales.. 1h45 minutos. Comunicaciones celulares y transmisión de datos. 39400Km. Tiene un ángulo de cobertura muy amplio en áreas polares del norte.. 11h58 minutos. Proveen cobertura en la mayor parte del territorio de la UUSS. Altura. Ventaja. 36000 Km. Un satélite en esta órbita y su estación terrena son fijos el uno con respecto al otro, trabajan con haces altamente concentrados y directivos, aumentando la potencia que reciben y envían del y hacia el satélite..

(27) 9. Tipos de órbitas según su recorrido y trayectoria Las órbitas según el recorrido y la trayectoria que toman se clasifican en [4]: ·. Órbita circular polar: órbita que cubre una trayectoria circular y que pasa. sobre los polos del planeta, por lo cual tiene una inclinación cercana a los 90º casi perpendicular al plano ecuatorial. Un satélite ubicado en esta orbita puede cubrir casi la totalidad de la superficie terrestre. ·. Órbita elíptica inclinada: esta órbita tiene una trayectoria con forma de. elipse, puede encontrarse inclinada en un determinado ángulo según su ubicación con respecto al plano ecuatorial y debe ser medido en sentido horario, en el punto de cruce de ambos planos en sentido sur a norte. Esta órbita no ofrece cobertura de toda la superficie terrestre. ·. Órbita circular ecuatorial: es una órbita de trayectoria circular conocida. también como órbita polar helio síncrona, es casi polar pero pasa por la línea ecuatorial terrestre y cada vez lo hace a la misma hora local. Tiene un ángulo de inclinación de 0º.. 1.2.4 ELEMENTOS DE UN ENLACE SATELITAL Una red satelital se compone de los siguientes elementos básicos: Satélite [5] Es el dispositivo espacial que cumple la función de recibir y transmitir las ondas de radio que se detectan desde la superficie terrestre. Este puede o no tener la capacidad de amplificar y reconstruir las señales detectadas, además de cambiar su frecuencia para evitar inconvenientes de interferencia.. 1.2.4.1.1 Tipos de satélites [5] ·. Satélite reflector pasivo. Este tipo de satélite es el más sencillo, pues su función es únicamente rebotar las señales entre dos estaciones terrenas. Este satélite carece de dispositivos de ganancia que puedan amplificar las señales que recibe, por lo cual envía las.

(28) 10. mismas de regreso a la Tierra sin modificarlas. Esto supone una ventaja pues no demanda equipos electrónicos complejos a bordo. Satélite reflector activo. ·. Los satélites activos se encargan de recibir las señales que se envían desde la superficie terrestre, las amplifica, regenera y posteriormente las reenvía nuevamente a la Tierra.. 1.2.4.1.2 Componentes de un Satélite Un satélite se compone de varios dispositivos electrónicos delicados y complejos, los cuales deben resistir ambientes hostiles en el espacio debido a las temperaturas del medio, los campos magnéticos, vientos solares y problemas de escombros espaciales. La estructura del mismo se divide en dos partes fundamentales: la carga útil y la plataforma, la cual consta de pequeños subsistemas: Carga útil [3, 6, 5]:. ·. Es el conjunto de equipos y antenas que se encargan de procesar las señales de comunicaciones. “La carga útil es la razón de ser del satélite, es aquella parte que recibe, amplifica y retransmite las señales con información útil. A la vez constituye la capacidad de comunicación de los servicios de los usuarios”. [7] La carga útil cuenta con un campo de acción extremadamente grande, pues consta de la cobertura de toda la huella del satélite y del uso de las ondas de radio en una extensa gama de frecuencias. Algunas características de este subsistema del satélite son las siguientes: -. Esta parte del satélite necesita estar orientada en la dirección correcta, debe ser operable en su totalidad y lo más importante, debe ser confiable sobre cierto período de tiempo específico.. -. Todos los datos recopilados y estados de la carga útil se deben enviar a la estación terrestre para su análisis y mantenimiento de manera constante.. -. Los parámetros de la carga útil del satélite controlan la órbita del satélite..

(29) 11. -. Se debe mantener fija a la plataforma sobre la cual se ensambla y requiere disponer de una fuente de energía que le permita ejercer las funciones programadas.. Los elementos claves de la carga útil son dos, transponder y antenas: -. Transponder: Es el conjunto de componentes que proveen el canal de comunicación o enlace entre la señal de subida que recibe el satélite y la señal de bajada transmitida por el mismo. Puede haber más de uno en un satélite y cada uno puede tener y usar equipamiento en común. Normalmente cada transponder trabaja en una banda de frecuencia diferente con una frecuencia central específica y un ancho de banda determinado. Actualmente un típico satélite comercial puede tener de 24 a 48 transponders los cuales operan en las bandas C, Ku y Ka, el número que se utiliza de ellos puede ser duplicado mediante el reuso de frecuencias de polarización cuando dos portadoras en la misma frecuencia se polarizan de manera ortogonal.. -. Antenas: Es un sistema en la nave espacial que se usa para transmitir y recibir las señales de radiofrecuencia que comprenden los enlaces de canales de comunicaciones. Esta se considera una parte crítica del sistema debido a la importancia que tiene al momento de aumentar la intensidad de las señales de trasmisión y recepción con el fin de permitir amplificar, procesar y retransmitir las mismas. Una antena está definida por varios parámetros, la ganancia que define el aumento de intensidad que se puede lograr concentrando la energía de la onda de radio y se expresa en dBi, el ancho de haz que mide el ángulo sobre el punto de máxima ganancia (-3dBi) y los lóbulos secundarios que definen la cantidad de ganancia de señal en las direcciones que no están sobre los ejes; razón por la cual deben ser altamente direccionales y con glóbulos secundarios insignificantes.. ·. Plataforma [1]:. Es la estructura básica de soporte del satélite que se encarga de suministrar, direccionar, proteger a la carga útil para que realice correctamente sus funciones..

(30) 12. Para esto se requiere que la plataforma sea lo suficientemente resistente pues debe soportar las cargas estáticas y vibraciones del lanzamiento y al mismo tiempo debe tener el menor peso posible, lo cual se consigue conciliando los parámetros que hacen fiable al satélite. Los principales materiales que se usan para su construcción son aleaciones metálicas ligeras y compuestos químicos que sean de alta rigidez y bajo coeficiente de dilatación térmica, y alta resistencia al deterioro en el espacio. Su estudio se divide en varios subsistemas que apoyan la operación satisfactoria de la carga de comunicaciones, esto se muestra en la figura 1.6.. Satélite. Carga Útil. Transponder. Antenas. Plataforma. Estructura. Propulsión. Energía. Control Térmico. Control de orientación y órbita. TTC&M. Figura 1.6 Componentes de un satélite A continuación se dará un poco más de detalles sobre cada uno de los subsistemas que conforman la plataforma del satélite: -. Estructura: Este subsistema se encarga de soportar a todos los componentes del satélite y servir de sustentáculo para ellos. La forma básica de la estructura depende del método de estabilización que se utilice para mantener al satélite estable y apuntando en la dirección correcta, es así que se tienen dos estructuras usadas para satélites geosíncronos y no geosíncronos las cuales son: -. Satélites con estabilización de giro [8]: Usualmente tienen forma cilíndrica como se ve en la figura 1.7, pues necesitan estar balanceado sobre un eje de tal manera que se pueda mantener en órbita rotando sobre este. En.

(31) 13. satélites geosíncronos el eje de giro debe mantenerse paralelo al eje de giro de la Tierra con una velocidad de entre 30 y 100 rpm. El satélite mantendrá la posición adecuada sin mayor esfuerzo a menos que aparezcan. pequeños torques de perturbación los cuales pueden ser. causados por factores externos. como radiación solar,. gradientes. gravitacionales, impactos de meteoritos o internos como fricción de rodamiento del motor o movimiento del subsistema de antenas. Estos problemas se pueden corregir con el uso de propulsores.. Figura 1.7 Satélite con estabilización de giro [9]. -. Satélites con estabilización de tres ejes [3]: Poseen una estructura de caja como se puede ver en la figura 1.8, se mantienen en el espacio estabilizando elementos para cada uno de los tres ejes conocidos como roll, pitch y yaw de tal forma que el cuerpo del satélite se mantenga en el espacio relativamente fijo con respecto a la Tierra. El punto de referencia del sistema de coordenadas usado para este fin es el centro de masa del satélite de tal forma que el eje yaw apunte directo al centro de la Tierra, el eje roll se encuentra en un plano perpendicular al primero y el eje pitch es perpendicular a los dos anteriores. Para evitar que este tipo de satélites pierdan su posición en la órbita se utiliza aviones de control y timones de reacción juntos o separados que tienen como función absorber las torques no deseadas que pueden alterar la orientación del satélite..

(32) 14. Figura 1.8 Estructura física del satélite [3] - Propulsión [1]: Este subsistema se encarga en primera instancia de la colocación del satélite en la órbita que se utilizará mediante un motor de apogeo usado en el caso de que el vehículo de lanzamiento no logre colocarlo directamente. Adicionalmente cuenta con opciones de diseño que permiten programar una serie de encendidos breves del motor para afinar la posición de la nave espacial en donde orbitará o también usar pequeños impulsores que utilizan combustibles líquidos, gas o iones. Normalmente esto representa del 20 al 40% de masa adicional a la nave sin combustible.. - Energía [3]: Este subsistema funciona gracias a paneles solares que posee el satélite como fuente primaria de energía, los cuales tienen una vida útil promedio de 15 años. En satélites con estabilización de giro los paneles son cilíndricos y se requiere un número mayor de celdas que en un satélite con estabilización de tres ejes debido a que solamente un tercio de las celdas se exponen al sol en un momento determinado. En satélites con estabilización de tres ejes permiten mejor uso de las celdas solares pues se ubican en paneles planos que pueden rotar y cambiar su posición para mantener su exposición al sol todo el tiempo. Adicionalmente, como fuente secundaria se tiene bancos de baterías que se encargan de suministrar energía a todos los equipos montados en el satélite.

(33) 15. regulando los niveles de voltaje y corriente para asegurar su óptimo funcionamiento en condiciones normales y además en casos de eclipses.. - Control térmico [3]: Este subsistema se encarga de normalizar la temperatura del satélite, pues el mismo se ve expuesto simultáneamente a variaciones bruscas de temperatura, es así que mientras la radiación del sol calienta un lado de la nave espacial, el otro lado recibe temperaturas extremadamente bajas; esto puede provocar deformaciones estructurales las cuales deben ser minimizadas con el fin de asegurar el correcto funcionamiento del apuntamiento del satélite y del resto de subsistemas que intervienen. Existen varios métodos que se utilizan para llevar a cabo la función de este subsistema, entre ellos está el uso de mantas y placas termales que se colocan en puntos críticos para aislar las temperaturas inadecuadas; espejos de radiación ubicados alrededor de los subsistemas electrónicos para proteger equipamiento crítico y las bombas de calor usadas para recolocar los puntos de calor en paredes o pozos de calor externos que proporcionen una ruta más eficaz para que el calor escape del satélite.. - Control de orientación y de la órbita [3]: Este subsistema tiene como función establecer, mantener y orientar la ubicación del satélite en el espacio para que elementos como las antenas apunten de manera adecuada a la superficie Terrestre. La ubicación del satélite se pude ver afectada por fuerzas gravitacionales del sol, luna, otros planetas y campo magnético terrestre. La orientación es controlada por detectores infrarrojos de horizonte los cuales detectan el borde de la Tierra en el espacio; se utilizan cuatro sensores de forma que establecen un punto de referencia el cual usualmente es el centro del planeta y muestran cualquier cambio en la orientación de la nave espacial. También se encarga de realizar el control de la órbita sobre la cual se ubican, lo que se realiza de manera parecida al control de orientación; los satélites se someterán a fuerzas que causarán que floten en dirección este-oeste (longitud) y norte-sur (latitud) como en altitud para mantenerse dentro de órbita..

(34) 16. - Rastreo, telemetría, telemando y monitoreo [1, 6, 3]: Este es el subsistema que provee la gestión esencial y funciones de control para mantener al satélite operando de manera segura en la órbita. Procura mantener la comunicación e intercambiar información efectiva entre el satélite y el centro de control en la Tierra mediante enlaces que operan en iguales o distintas bandas de frecuencia. Los elementos que forman parte de este subsistema son la antena, transmisor de rastreo y telemetría2, el telemando3 de recepción y sensores de rastreo. Los datos de telemetría se reciben de otros subsistemas de la nave espacial como la carga útil, energía, control de orientación y control térmico, mientras que los datos de telemando son retransmitidos por el comando de recepción a otros subsistemas para controlar parámetros como el apuntamiento de la antena, cambios en las baterías o celdas solares, etc.. Estaciones Terrenas [10] Conjunto de equipos de comunicaciones encargados de controlar. el envío y. recepción de señales con el satélite desde la superficie del planeta. Las estaciones terrenas “deben tener la capacidad de realizar todas las funciones que permitan al usuario u operador conocer en todo momento la posición y estado de funcionamiento de cada sistema a bordo del satélite, entre los cuales se puede mencionar: sistema de potencia, de radiofrecuencia, de control de posición y de computadores a bordo.” [10] Su tamaño y complejidad depende de factores como el tipo de servicio que se proveerá con el mismo y la potencia que el satélite irradia, es así que las estaciones más sencillas solamente permiten recibir señales y constan únicamente de una antena parabólica de un diámetro pequeño.. 2. Telemetría: Función que involucra la recolección de información de sensores a bordo del satélite y el envío de esta información a la Tierra. Los parámetros tomados incluyen voltaje, corriente, temperatura, estado de equipos, presión del tanque de combustible y control de posición. 3 Telemando: Función complementaria a la telemetría encargada de retransmitir información específica de control y operación enviada desde la superficie terrestre hasta el satélite, en respuesta a la información de telemetría mandada por el satélite..

(35) 17. 1.2.4.2.1 Funciones de la estación terrena Una estación terrena debe ejecutar una serie de funciones principales en orden de apoyar la operación del satélite, entre ellas se detallan las actividades que se listan a continuación: · Realizar el seguimiento del satélite, lo que le permite conocer la posición del satélite en su órbita en todo momento. · Ejecutar operaciones de telemetría, pues requiere adquirir y almacenar la información enviada por el satélite constantemente, como por ejemplo cambios en los sistemas de potencia o frecuencias, de esta manera se mantendrá actualizada y sincronizada la comunicación entre la estación y el satélite en órbita. · Llevar a cabo operaciones de telemando, pues necesita monitorear las funciones que el satélite está realizando mediante el envío y recepción de señales de control y operación. · Cumplir con operaciones de control, lo que le permite determinar parámetros específicos orbitales, detalles de posicionamiento y orientación, programar los movimientos y operaciones del satélite, etc. · Efectuar operaciones de procesamiento de datos, ya que se debe presentar los datos que se obtiene del satélite mediante telemetría en el formato adecuado al operador del sistema satelital para que los mismos puedan ser interpretados con facilidad y claridad. · Mantener comunicación con otras estaciones terrestres y centros de procesamiento mediante enlaces de datos y voz.. 1.2.4.2.2 Estructura de una estación terrena [7] Una estación terrena se compone por varios subsistemas entre los que se encuentra equipamiento y programas computacionales, los cuales se pueden ver en la figura 1.9 que se muestra a continuación:.

(36) 18. Figura 1.9 Estructura de la estación terrena [6] Antena:. ·. Es el dispositivo que en cualquiera de las estaciones, ya sea receptora o transmisora, se encarga de recibir o enviar la radiación del satélite y concentrarla en un solo punto, tiene como objetivo principal “obtener una alta eficiencia y una alta ganancia de la señal direccionada al satélite pero con niveles bajos de radiación en otras direcciones” [6]. Debe tener la capacidad de detectar y rechazar en el mayor grado posible la interferencia que viaja con la señal desde el satélite. Su diámetro depende principalmente de la distancia a la que se encuentra del satélite, de la frecuencia de portadora en la que trabaja y de la potencia de transmisión en watts. La antena presenta varias características importantes que la definen y son: - Ganancia: se define como la relación entre la densidad de potencia radiada en una dirección y la densidad de potencia que radiaría una antena isotrópica. Depende del diámetro de la superficie de la antena en una relación.

(37) 19. directamente proporcional, es decir a mayor diámetro, mayor concentración de energía en el foco. - Patrón de radiación: es la representación gráfica de las características de radiación de una antena, en él se muestra generalmente la densidad de potencia que se irradia y permite analizar parámetros como dirección de apuntamiento, alcance del lóbulo principal y glóbulos secundarios, el ancho del haz, etc. - Ancho de banda: rango de frecuencias en el cual los parámetros de la antena cumplen con determinadas características. - Polarización: Es la figura geométrica que traza el extremo del vector de campo eléctrico a una cierta distancia de la antena, al variar el tiempo. La polarización electromagnética se da en una determinada dirección.. ·. Estación transmisora [10]:. Es la encargada de enviar los datos hacia el satélite mediante ondas de radiofrecuencia a través de la antena, dentro de la banda asignada, asegurándose que de la potencia con la que se emiten sea lo suficientemente alta para que pueda recorrer la distancia que los separa. Adicionalmente debe preocuparse de factores como amplificar la señal en caso de que fuere necesario, elevar las frecuencias a las bandas adecuadas y utilizar la modulación conveniente y una portadora libre que permitan realizar el envío de los datos asegurando que estos lleguen a su destino intactos, sin errores. La estación transmisora es la encargada de realizar las operaciones de telemando, lo que le permite actuar sobre sistemas o componentes de la nave espacial como activar un determinado transmisor y apagar otro, actualizar un software determinado, encender o apagar un computador a bordo.. ·. Estación receptora [10]:. Como su nombre lo indica recibe la información que se genera en la estación transmisora y es retransmitida por el satélite. Ésta, como complemento de la estación transmisora, cuenta con un amplificador de bajo ruido debido a todas las impurezas que se pueden haber introducido en la señal durante todo el trayecto, acepta la frecuencia portadora que proviene del satélite y que pasa por el sistema.

(38) 20. de la antena, la transfiere a frecuencias más bajas y la desmodula en caso de ser necesario. La estación receptora es la encargada de ejecutar las operaciones de telemetría, es decir, debe recibir datos que se recolectan en el satélite y se envían hacia la Tierra indicando el estado del mismo como por ejemplo: voltajes y corrientes de los bancos de baterías y equipos, temperatura en las antenas, etc.. ·. Sistema de seguimiento [10]:. Es el encargado de mantener siempre a los elementos anteriores en la colocación correcta (como si estuvieran perfectamente fijos en una determinada posición) y de compensar los movimientos relativos que pueden introducirse entre ellos, pues los mismos pueden perder ligeramente su alineación debido a perturbaciones orbitales, incluso sin son usados en sistemas geoestacionarios. Este sistema cumple su función manteniendo el eje central del haz electromagnético generado por la antena en la dirección de la nave espacial a pesar del movimiento de alguno de los dos elementos. Son usadas en su mayoría por estaciones que no están trabajando con satélites geoestacionarios y que tienen un período rotacional menor al de la Tierra.. 1.2.5 ÁNGULOS VISUALES DE UNA ANTENA [3] Con la finalidad de optimizar el funcionamiento del sistema de comunicaciones satelital se busca que la antena de la estación terrestre apunte al satélite en órbita directamente, esto se consigue mediante el uso de dos ángulos que asegurarán que los dos elementos queden alineados: el azimut y la elevación. Cuando se trabaja con satélites geosíncronos los ángulos visuales de la antena terrestre deben ser ajustados una sola vez, pues el satélite se supone fijo con respecto a la superficie terrestre a excepción de pequeñas alteraciones esporádicas de la posición del satélite. De manera similar a la que se especifica la ubicación de un punto en la superficie del planeta, en latitud y longitud, se puede detallar la ubicación de un satélite a pesar de que se encuentra en órbita a muchas millas de la Tierra y carece de latitud.